巧用光电门改进平抛运动常规实验

刘春英

摘   要：核心素养背景下，实验教学显得更加重要。但目前实验室所提供的实验器材中，许多器材都有这样或那样的瑕疵。因此，教师在实验教学中要有心理准备，要主动改进、重组现有的实验器材，使之为培育学科核心素养发挥更好的功能。本文就现有的平抛运动实验器材的不足进行分析，同时提出改进方法，并付诸于探究教学实践，实验效果更佳。

关键词：平抛运动;创新实验;探究教学

平抛运动是高中物理教学的重点之一，是学生在学习直线运动之后面临的第一类曲线运动。如何运用直线运动的规律来分析处理曲线运动，帮助学生理解平抛运动可以分解为沿水平方向的匀速直线运动和沿竖直方向的自由落体运动。对此，不同版本的教材提供了不同的实验探究方案，这是落实“通过实验，探究并认识平抛运动的规律[ 1 ]”的高中物理课程标准提出的要求。但在教学过程中，本人总感到这些教材提供的常规实验方法有不尽人意之处，可以进行改进，让实验效果更佳。下面就此谈谈自己的观点和做法，与同行们共商榷。

1  探究平抛运动水平分运动规律的器材的不足和改进方法

1.1  常规探究方法

实验装置如图1，两个相同的斜槽轨道P、Q，分别用于发射小铁球M、N。两轨道斜面顶端分别安装有电磁铁a、b，调节电磁铁的高度，使h1=h2，以确保小铁球M、N分别从两轨道的出口处射出的水平初速度v0相等。将小铁球M、N分别吸到两轨道顶端的电磁铁上，然后切断电源，同时释放两小球，使两球以相同的初速度从轨道末端水平射出。此后M球做平抛运动，N球沿水平光滑轨道做匀速直线运动[ 2 ]。实验结果显示，两小球将在E处发生碰撞。通过本实验可得出的结论是：平抛运动沿水平方向做匀速直线运动。

1.2  实验缺点分析

实验中，一是较难保证两球从轨道末端水平射出的初速度相等。因为不确定的因素多，比如在安装时h1=h2可能存在偏差，两轨道对小球运动的摩擦阻力可能不相等，以及轨道的末端可能不呈水平状态等;二是N球从轨道Q的末端射出后是在水平轨道上运动，实际上要受到摩擦阻力的作用，不是做匀速直线运动;三是两小球在E处相碰作为同时到达的依据也可能存在较大的误差，因为在极短的时间内人眼很难看清两球是否上下对齐碰撞，如果是斜碰，前后相差就会有2～3 cm的偏差。

1.3  实验改进方法

现在光电门在各高中学校已经是标配器材，在平抛运动的实验中可以充分利用光电门的计时功能来弥补上述实验的缺点。

如图2所示，让同一小球从同一斜槽轨道上的同一点由静止开始下滑，并做平抛运动。重复多次后，大致确定平抛运动的轨迹（如图虚线所示），并在该轨迹线的两侧，沿竖直方向安装四对光电门。其中，光电门1与光电门2的水平间距L1和光电门3与光电门4的水平间离L2应相等，即L1=L2。这样测得实验中小球从光电门1到光电门2的时间t1和从光电门3到光电门4的时间t2，如果t1=t2，说明在这两段时间间隔内小球在水平方向上的平均速度相等。再根据合运动与分运动的等時性，推出平抛运动的沿水平方向的分动动应是匀速直线运动。本实验是从合运动直接得出水平方向上的分运动为匀速直线运动的结论，避免了采用两球对比实验中水平轨道摩擦等因素的影响。

2  探究平抛运动竖直分运动规律的器材的不足和改进方法

2.1  常规探究方法之一

如图3所示，小球A从斜轨滑下后做平抛运动，在经过轨道末端开始做平抛运动时启动关电开关，切断电磁铁电源，使B球在A球开始平抛运动的同时，也开始做自由落体运动[ 2 ]。本实验从两球的同时落地，说明两球在竖直方向上的运动规律相同，从而证明平抛运动沿竖直方向的分运动属于自由落体运动。

缺点是：判断同时落地的依据是听到同一落地声。由于小球落地后会反弹，与地面碰撞会发出多次的碰撞声，这给学生听声判断带来困难。

2.2  常规探究方法二

利用频闪照片描绘平抛运动轨迹，再利用轨迹上的点进行分析探究。如图4所示，若相邻两位置的水平间距离都相等，则说明平抛运动的水平分运动为匀速直线运动。如果测得0与1两位置的竖直间距为s1， 1、2两位置的竖直间距为s2， 2、3两位置的竖直间距为s3，当满足s1∶s2∶s3=1∶3∶5关系时，说明平抛运动在竖直方向上的分运动为初速度为零的匀加速直线运动，再用逐差法算出加速度a的值等于重力加速度g，则证明竖直分运动为自由落体运动。

缺点是：课本提供的频闪照片不是现场拍的，学生没有经历拍摄过程;如要要现场拍摄，一是采用数码相机连拍，还需用软件将多张照片进行合成，精度不够高;二是使用数码单反相机的慢门结合频闪灯拍摄，这对环境、操作的要求高。

2.3  实验改进方法

可利用光电门实验克服上述缺点。如图5所示，利用前面图3的器材配上四对光电门。其中光电门1与光电门2用以记录平抛运动的A球在两光电门之间运动的时间t1;光电门3与光电门4记录B球在两光电门之间运动的时间t2。这里关键是，光电门1与光电门3要安置在同一水平线上，光电门2与光电门4安置在另一水平线上。如果t1=t2，说明球A在竖直方向上与B球的运动同步，从而说明平抛运动沿竖直方向的分运动是自由落体运动。为体现实验结论的一般性，可以同时将光电门1与光电门3升高或将光电门2与光电门4降低，以进行多次的测量。本实验通过上述的改进之后，可以更直观、定量的探究平抛运动沿竖直方向的运动规律。

3  改进实验方法所用到的器材

图6所示的是本人制作的平抛运动演示仪的实物图，主要有：

移动白板1块、光电开关1对、光电门4对、12007计时器2台、斜槽轨道（末端水平）、PVC制作的接收槽、钢球3个、强力磁铁若干、电线槽、电线若干条、强力胶水。

这些器材取材于学校的实验室，组装难度不大，造价不高，易于操作。

4  教学实践与体会

传统的教具不是不能用，也并非改进的教具就一定比传统的好，但在教学实践中如果稍加改变或将二者结合起来，往往会获得更好的实验育人效果。本人的处理方法是，在探究平抛运动在水平方向上的运动规律时，先用上述图1所示的实验装置让学生对平抛运动先有一个定性的认识，再通过图2所示的实验装置与学生一道进行定量的实验探究;在探究平抛运动沿竖直方向的运动规律时，先用图3所示的实验装置让学生先有一个定性的认识，再通过图4、图5所示的实验装置进行定量的探究。这样的处理方法可以让学生在实验探究中经历定性和定量两种探究过程，经历多种探究方法，进一步加强了实验教学，这对提高学生的物理学科素养大有裨益。

结束语：采用改进型平抛运动演示仪具有多方面优势，最大的优越点就是学生可以直接通过测量数据，得出平抛运动沿水平方向和沿竖直方向的运动规律。同时，变表面现象的观察为通过测量数据的精确分析。当然，也还有一个缺憾，就是该演示仪没有得到厂家的批量生产，教学中还只能是师生共同使用一套仪器进行探究。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[[S].北京：人民教育出版社，2018：14-18.

[2]黄巧曦. 注重学生学习过程的“平抛运动”教学实录[J].中国教师，2020（1）：44-46.