平抛运动演示仪的改进与创新

许芙蓉 黄树清

摘 要：探究平抛运动规律是平抛运动一节中的重难点，是一种典型的匀变速曲线运动，其于整个物理体系中所占据的地位不可忽视。然而教材以及在一般的课堂教学中，平抛实验演示仪仍存在着一些不足。现就此指出教材中演示实验装置的缺陷，并简要介绍对其的改进与创新。

关键词：平抛运动；竖直方向；实验；改进

“探究平抛运动规律”是高中物理新课标学生实验中举足轻重的探究实验之一，为了达到更好的教学效果，攻克教学中的重难点，笔者对探究平抛运动在竖直方向运动规律的平抛运动演示仪进行了改进与创新，其弥补了传统实验演示仪不足的同时，还具有诸多优点，值得推广使用。

一、 传统平抛运动演示仪的缺陷

司南版以及人教版普通高中课程标准实验教科书，即《物理（必修2）》第三章“抛体运动”中第三节“平抛运动”，均采用如图一所示的平抛运动演示仪实验装置。用小锤击打弹性金属片，使A球沿水平方向飞出，做平抛运动。改变实验装置离地面的高度和力度，多次实验，观察两球是否同时落地，再用频闪照相机记录全程，分析频闪照片中两小球是否在同一时刻处于同一高度，从而验证其于豎直方向上做自由落体运动。

该装置确能验证平抛运动在竖直方向上做自由落体运动，但是却存在如下缺点：（一）实验装置过于笨重，不方便携带；（二）成本过高。倘若要实现每个学生都能进行实验操作的可能，确是需要购进不少数量的演示仪，再加上价格不菲的频闪照相机，部分偏远落后并不发达的学校并不一定都能负担得起；（三）操作繁琐。频闪照相机的使用并不是容易上手，一般仅限于教师的操作演示，并且拍摄过后还需与电脑连接，前后费时费力；（四）安全系数低。重锤的敲击、铁球的下落，在一个并不空阔且人多的教室里，均存在着潜在的安全隐患。

二、 对平抛运动演示仪的改进

针对以上传统平抛运动演示仪的缺陷，笔者从生活中取材、操作便捷、效果良好，其原理图如图二所示。该演示仪由直尺、象棋、大理石组成。将一直尺放于桌面上的同时，一半伸出桌面，再将食指紧摁直尺中端，即桌子边缘处，若用大理石水平快速敲击露出桌面一端的尺子，则直尺将会绕手指头所固定的点旋转，基于这样一个旋转直尺，在桌面上尺子的一侧紧挨地放置一颗象棋，在伸出桌面的尺子另一端上放置另一等大同质的象棋。此时，在大理石的水平快速敲击作用下，紧挨直尺的象棋会受到来自直尺的作用力，从而以一定初速度水平抛出，由于象棋所受重力远大于空气阻力，其做平抛运动；而另一位于直尺上的象棋，则因突然没有支撑物而做自由落体运动。

如此这般，本实验装置巧妙地利用旋转直尺将平抛运动和自由落体运动结合在了一起。实验注意事项有：（一）选用尽量较长的直尺，因要紧挨、承托两个象棋宽度的同时还须留有空间用大理石敲击；（二）尽量选择较重的象棋，方能忽略空气阻力，视为平抛运动和自由落体运动；（三）大理石敲击应迅速、水平。唯有迅速，处于尺子上方的象棋由于突然没有支撑物的作用，从而其初速度方能视为零，也唯有水平敲击，另一紧挨直尺的象棋才能拥有水平方向的初速度而做平抛运动；（四）在使用大理石敲击直尺时，也应注意安全，切莫砸伤同学和实验操作者。

敲击后的两枚象棋，由于高度相同并同时开始运动，因而若是同时落地则证实了平抛运动在竖直方向上即为自由落体运动。可分别从视觉和听觉上判断。为了更好地观察和分析两个物体的下落全程，笔者选用了带有慢镜头回放功能的智能手机，可事先将录制好的视频拷至电脑，亦或现场录制、上传，投影于大屏幕。先用肉眼观察慢镜头下的两枚象棋，是否在任意时刻均处于同一高度；再进行视频截图划线、定量分析，进一步科学地论证猜想，如图三所示，以背景墙上的横线作为参照，易得：做平抛运动的象棋与做自由落体运动的象棋在任意时刻均处于同一高度，从而验证了平抛运动在竖直方向上即为自由落体运动的猜想。

图三 慢镜头回放的部分截图

三、 改进后的优点

在对传统平抛运动演示仪的改进和创新后，其存在着以下优点：

（一） 取材便捷，利于携带。实验仅需直尺、象棋和大理石这些在我们生活中极为常见普遍的物体，携带方便轻松，学生还可自行将实验装置带至课堂。

（二） 成本低廉，性价比高。直尺和象棋是学生都会拥有的学习用品和棋类之一，大大降低了昂贵的成套实验装置成本，这对一些经费紧张，无法支持和供给教学的学校和地区着实提供一个很好的参考。

（三） 操作简易，推广性强。实验装置组成成分简易、操作简单不繁琐、容易上手、较好理解，学生课后也可以自己动手实验，不再对冰冷的实验仪器甚至科学产生距离感，同时解决了只能在课堂上操作实验的空间局限性，让其充分体会到“物理源于生活，又高于生活”的真理以及物理的魅力。

（四） 生动有趣，启发思维。实验新颖并富有创造性，让学生明白物理也可以如此有趣、如此“玩耍”，激发学生学习物理的兴趣，让学生做生活的有心人，多留意生活中的物理现象，并且启发学生思维，培养学生的创新实践能力。

（五） 科技前卫，严谨高效。用具有慢镜头回放功能的智能手机代替传统的频闪照相机，提高实验效率增强实验效果的同时，令实验结果更加科学精确，还让学生们知道身边中的高科技产品不仅仅用来娱乐，更可以用来学习，成为实验仪器，从而服务于科学。更能正确引导学生、家长如何将利弊相随的高科技产品扬长避短，启发家长教师们辩证地看待现如今信息时代下的智能产品，使其成为辅助学习的有效帮手，还能体现物理与科技的紧密关联，培养学生的科学素养。

四、 结束语

改进创新后的平抛运动演示仪较好地解决了传统演示仪的缺陷，其拥有着实验效果显著、成本低廉、携带便捷、严谨高效等诸多优势，可提高教学效果、激发学生学习兴趣，让更多学生参与其中，从而达到教学目标。笔者期谨以此文可以给予更多一线教师工作者和理论研究者以启发和参考。

参考文献：

[1]张大昌.普通高中课程实验教科书·物理·必修2[M].北京：人民教育出版社，2004：53-57.

[2]廖伯琴.普通高中课程标准实验教科书·物理·必修2[M].济南：山东科学技术出版社，2004：55-59.

[3]李燕秋，代伟，罗微，等.平抛运动演示仪的改进[J].大学物理，2015，34（9）：27-30.

作者简介：

许芙蓉，黄树清，福建省福州市，福建师范大学。