平抛运动DIS与传统实验设计方案的对比研究

2022-04-29 18:27王璐彭红梅牧仁
中小学数字化教学 2022年5期
关键词:发射器小球轨迹

王璐??彭红梅??牧仁

数字化信息系统(Digital Information System,简写为DIS)相关内容已经编入人教版高中物理教材。DIS正在逐步融入高中物理实验教学。“实验:研究平抛运动”是人教版高中物理(第3版)必修2第五章第3节的内容。此教学内容和目标是教师在学生学习“平抛运动”的知识基础上,引导他们通过实验对平抛运动规律进行验证和探究,提高自主探究能力。此课教学在相关章节中有着重要地位[1]。教师如何通过实验引导学生从定量的角度分析平抛运动,建立物理实验与理论推导的联系?在传统实验教学中,教师主要采用描迹法、频闪照相法教学。传统教学存在很多不足:用描迹法实验,数据误差较大,还不能测出运动的时间,难以定量分析;用频闪照相法实验虽然可以利用频闪功能确定时间,定量分析平抛运动,但课堂上频闪照相操作太烦琐。因此,大多数教师用描迹法开展实验教学。人教第3版《高中物理(必修2)》[2]与第2版《高中物理(必修2)》[3]相比,增加篇幅介绍使用传感器和计算机描绘平抛物体运动轨迹的方法,即DIS实验。笔者以平抛运动为例,比较DIS实验和传统实验教学,分析DIS的作用,总结DIS实验与传统实验进行有效整合策略。

一、基于DIS的平抛运动实验方案

(一)组装实验仪器,了解二维运动实验器

图1为二维平抛运动实验的原理图,信号发射器A在做平抛运动,运动轨迹为C所示的曲线。信号发射器A在运动的同时能够向不同方向发射超声波信号,而信号接收器B上的B1、B2能够分别接收信号发射器传来的超声波信号。B1、B2各自测出收到超声脉冲的时差,并由此计算它们各自与信号发射器的距离[4]。B1、B2两处的距离是已知的,只要B1、B2与A的距离确定,信号发射器A的位置就确定了。操作者将信号接收器B与计算机相连接,可以通过数据处理软件显示信号发射器的坐标。实验中,数据采集频率为50 Hz,即相邻两个点迹之间的时间间隔为0.02 s。

(二)调整实验仪器,保证抛出点水平

如图2所示,B为信号接收器,其内部结构与图1所示信号接收器相同,A为信号发射器,二者的工作原理与图1的工作原理相同。为保证信号接收质量,笔者调节二维运动接收器与平抛运动导轨的距离,控制在0.25 m左右,调节信号接收器的角度,使信号接收器与竖直方向的夹角在30°到60°之间。轨道的“倾斜部分”具有一定高度,可以保证物体从释放器释放后下落到“水平部分”以一定初速度抛出,此后被研究物体在空中做平抛运动。实验前,操作者需利用水平仪对轨道的“水平部分”进行校准,如非水平,调节铁架台底座至水平仪水平即可。

(三)进行实验,采集数据

仪器调节完毕后,笔者将信号接收器与计算机连接,并开启相应的数据收集处理软件。笔者打开信号发射器开关,让学生观察电脑屏幕。教师带领学生手动改变发射器位置,使电脑屏幕上标识发射器的红点相应地移动,确认两者的运动对应无误后,按照以下步骤做实验:

①将试抛器固定在导轨上端的释放器上,在平抛运动导轨下方放置接物网,释放试抛器,确定落点,固定接物网。

②按下二维运动发射器的红色按钮,打开二维运动发射器,将二维运动发射器放置在图2所示的原点固定支架处。

③点击开始采集按钮,点击零点校准,使发射器在轨道内水平移动,待放置稳定后,点击水平校准。

④将发射器固定在释放器上。

⑤点击实验界面底部的记录数据按钮,释放二维运动信号发射器。待二维运动发射器落地后,软件自动停止采集,同时软件界面会得到信号发射器的平抛运动轨迹图像。

⑥点击界面底部的二次拟合按钮后,呈现平抛运动的轨迹图像——二次函数抛物线。点击x分解,将运动分解到水平方向上。点击y分解,将运动分解到竖直方向上。点击界面底部的重力加速度按钮,得到以时间为x轴,以水平方向速度和竖直方向速度为y轴的v-t图像。随即,信息处理软件自动计算重力加速度和水平初速度。这样便完成实验数据的采集。

(四)数据处理,结果分析

1.对曲线进行拟合,得出运动轨迹

图3为平抛运动DIS实验结果图。a图为采集到的平抛运动轨迹图;b图为平抛运动被分解后水平方向运动和竖直方向运动图像。

图4为操作者点击二次拟合按钮得出的运动拟合图像。学生观察图像,可以直观地观察到平抛运动的轨迹为抛物线。同时,图4右侧表格显示平抛运动的水平位移x与竖直位移yy/x2的数据,学生可以观察到y/x2的数值为定值。学生通过定量分析,发现平抛运动的物体轨迹为抛物线。

2.对分运动规律进行分析

操作者点击软件下方的加速度按钮,得到如图5所示的竖直方向、水平方向的速度—时间图像,同时页面左下角显示计算得到的重力加速度为9.64 m/s2,水平初速度为1.23 m/s。学生通过速度—时间图像可以看出水平方向的速度—时间图像为一条平行于时间轴的直线,竖直方向的速度—时间图像为过原点的倾斜直线。实验证明,平抛运动在水平方向的分运动为匀速直线运动,竖直方向的分运动为初速度为零的匀加速直线运动,即自由落体运动[5]

二、平抛运动传统实验方案

(一)组装和调节仪器

传统实验中,师生常用如图6所示的J2154型平抛运动实验器做实验。在使用前,教师指导学生对仪器进行水平调节以确保小球做平抛运动。学生首先进行底板调平,通过仪器中间的螺丝进行水平调节,在调节过程中观察两侧水平仪的气泡,若气泡居中,则底板水平。底板水平调节完毕后,学生将小球放到轨道的末端,观察小球是否静止,检验轨道末端是否水平。如不水平,需调节轨道下方螺母进行轨道末端调节。

(二)进行实验,记录数据

仪器调节完毕后,学生按照以下步骤实验。

①用磁钉将白纸和复写纸固定在装置背板上。

②装置中有一个水平放置的可上下调节的倾斜挡板。学生打开开关,使钢球从同一高度飞出,落到挡板上。钢球落到倾斜的挡板上后,挤压复写纸,在白纸上留下印迹。

③多次将挡板下移,打出多个点。

④取下白纸用平滑的曲线将白纸上留下的小球印迹连接起来,得出小球做平抛运动的轨迹。

图7为某小组的平抛运动实验结果图。学生将所得轨迹,以重垂线方向为y轴,过原点沿着水平方向作x轴,在X轴上作出等距离的点x1x2x3x4,…,过x1x2x3x4,…点作x轴垂线,将与平抛轨迹的交点向y轴作垂线,相交于y1y2y3y4,…,分别测量各点到原点的距离,得到各点坐标。

(三)实验结果分析

1.运动轨迹的分析

在建立直角坐标系得到每点坐标的同时,学生得到该平抛运动的水平位移x与竖直位移y。某组学生将得到的水平位移x与竖直位移y代入y/x2进行运算,得出y/x2≈0.08是一个常数,进而得出平抛运动轨迹为抛物线的结论。同时,由y=1/2gt2x=v0t,学生得到平抛运动初速度公式 ,将平抛运动的坐标点(xy)代入公式             ,多次运算求平均值,得到平抛运动的初速度为v0=0.76 m/s(见表1)。

2.对分运动规律进行分析

(1)分析竖直方向运动规律。

学生用描迹法实验无法准确得出每个点迹的时间,因此无法对平抛运动规律进行定量分析,为分析平抛运动规律,利用平抛运动实验器进行同步实验观察。如图8所示,当小球从磁吸导轨水平末端经过时,光电门被遮挡。竖直磁吸点的小球与平抛运动小球同时下落。图8中a图展现的是小球通过光电门两球开始同时下落;b图、c图展现的是小球下落过程;d图展现的是两球同时落地。学生观察做平抛运动的小球与自由落体运动的小球,发现在相同时间内,做平抛运动的小球在竖直方向上的位移与自由落体运动的小球位移相同。由此,学生定性地分析出平抛运动的小球在竖直方向的分运动为自由落体运动[6]

(2)分析水平方向运动规律。

如图9所示,学生在磁吸导轨1和磁吸导轨2上同时放置小球。如图9中a图所示,学生按下开关,让两小球同时开始移动。经过水平位置后,导轨1上的小球做平抛运动,导轨2上的小球做具有一定初速度的匀速直线运动。图9中b图和c图为两小球运动一段时间的二者运动图像,d图为两小球即将碰撞的图像。学生观察两小球的水平位移后发现,它们在相同时间内水平位移相同。学生由此定性分析得出结论,平抛运动小球在水平方向的分运动为匀速直线运动。

三、对比研究

笔者将平抛运动的DIS实验教学方案与传统实验教学方案做了比较,分析结果见表2。

(一)课堂教学用时

在传统实验教学中,学生在阅读实验说明书后,进行实验操作得到运动轨迹识别点,再用一定的时间将其连接起来,建立坐标。学生花费大量时间进行取值运算,难以在课上完成数据的处理工作。与传统实验方法相比,DIS实验效率非常高:学生仪器调节好后,1分钟左右即可完成数据采集。新实验操作方便、显示直观令学生印象深刻。此外,学生用DIS做实验不用在数据采集等方面专门花费时间,有更多时间进行思考和练习,巩固所学知识。

(二)实验数据

在传统实验中,学生打完点迹后,需要建立坐标系,描绘轨迹,测出坐标点,易产生误差。笔者对比两组实验结果,发现在用传统方法实验虽然可以通过运算得出相应规律,但不利于学生在所取的等时的数据点上直接观察进而探究平抛运动的规律。DIS实验有利于学生发现水平位移间隔为定值,而传统实验中相同时间间隔内的水平位移误差较大。

(三)教学效果

DIS实验仪器在测量平抛运动的时间方面,具有精度高的特点。从信号发射器斜轨末端水平部分飞出开始计时至小球与地面碰撞结束,DIS仪器记录实验全过程,体现了过程的直观性。这一测定功能的应用解决了传统实验难以准确直接测定平抛运动的全过程的时间的问题,为学生定量分析平抛运动规律提供可能,弥补了传统实验不能够定量地分析平抛运动规律的不足[6][7]

(四)对学生能力的培养

与传统实验相比,DIS实验能够更为简洁地得出平抛运动的轨迹,并且计算运动初速度。传统方法侧重学生进行数据处理与运算,以开拓学生的思维,培养学生观察能力和计算能力;而DIS实验的优势是利用数字化技术实现智能呈现,有利于增强学生关注前沿科技的意识以及适应现代化学习的能力[8]

综上所述,教师开展平抛运动教学时,可以将传统实验和DIS实验有效地整合起来,引导学生定性、定量地探究平抛运动的规律。教师可以应用DIS实验的强大绘图功能,缩减采集实验数据时间,同时让学生利用传统实验的计算方法验证信息处理软件呈现的结果,达到提高课堂教学效率和培养学生数据处理能力的目的。DIS实验与传统实验各有优点,教师不能将二者对立起来,DIS实验与传统实验没有主次之分,DIS实验不是对传统实验方法的推翻与重建,而是继承与发展。笔者通过平抛运动课例比较,分析了DIS实验在高中物理教学中的优越性,明确了将DIS实验与传统实验整合的原则,即科学性原则、适用性原则、优化性原则、全面提高学生的物理学科核心素养原则,供同仁参考。

注:本文系内蒙古自治区教育科学研究“十三五”规划项目(NGJGH2018106)和内蒙古民族大学物理师范生培养团队建设项目的课题研究成果。

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.

[2] 物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理(必修2)[M].北京:人民教育出版社,2010.

[3] 物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理(必修2)[M].北京:人民教育出版社,2006.

[4] 李彦清,高嵩.基于DIS实验技术的平抛运动教学设计[J].物理教学,2016(11):28-30.

[5] 万军.高中物理力学DIS实验与传统实验的对比分析和实践研究[D].赣州:赣南师范大学,2017.

[6] 李白灵,杨晓梅.基于STEM理念的“探究平抛运动规律”案例分析[J].物理之友,2021(1):12-13.

[7] 罗仕维.指向核心素养的物理情境创设——以“平抛运动”教学为例[J].中学物理教学参考,2020(23):35-36.

[8] 裴超,杨效华.利用DIS实验装置探究平抛运动轨迹及规律[J].物理通报,2017(12):75-76.

(作者王璐系内蒙古民族大学数理学院硕士研究生;彭红梅系内蒙古民族大学数理学院教授;牧仁系内蒙古民族大学工学院副教授)

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