普通高中學(xué)生研究性學(xué)習(xí)成果評(píng)獎(jiǎng)

1、普通高中學(xué)生研究性學(xué)習(xí)成果評(píng)獎(jiǎng)申報(bào)報(bào)告課題名稱(chēng)： 自制“新一代平拋豎落儀” 研究起止時(shí)間：2014年3月7月所在地州學(xué)校： 伊犁州鞏留縣高級(jí)中學(xué) 所在班級(jí)： 高二（2） 課題組長(zhǎng)（負(fù)責(zé)人）： 沙尼亞 第一執(zhí)筆人： 沙尼亞 小組成員：馬宏軍、巴勒根、葉斯哈提、古麗哈森指導(dǎo)教師： 施 堅(jiān)、朱習(xí)勇、武海平 自制“新一代平拋豎落儀”研究性學(xué)習(xí)課題結(jié)題報(bào)告摘要：高中物理人教版必修2教材第10頁(yè)中有一個(gè)“做一做”，本課題小組自制教具“新一代平拋豎落儀”并結(jié)合視頻幀播放發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)書(shū)本提供的方案有缺陷，并加以了改進(jìn)，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。也讓本課題成員對(duì)完成一次實(shí)驗(yàn)類(lèi)研究性學(xué)習(xí)需要經(jīng)過(guò)的步驟、研究的方法、相互

2、的合作等等都有了更為深入的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：平拋運(yùn)動(dòng) 自制教具 幀播放 執(zhí)筆：沙尼亞（鞏留縣高級(jí)中學(xué)高二2班）指導(dǎo)教師：施堅(jiān)、朱習(xí)勇、武海平一、 研究的緣由、目的和意義老師在演示平拋運(yùn)動(dòng)的豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，用的是如圖1所示的平拋豎落儀，這個(gè)演示過(guò)程轉(zhuǎn)瞬即逝，而判斷同時(shí)落地的依據(jù)是“用耳朵聽(tīng)是不是只有一個(gè)聲音”。事實(shí)上可能第一個(gè)小球和第二個(gè)小球并不同時(shí)落地，而是有一定先后，后一個(gè)聲音蓋住或正好連著第一個(gè)聲音，只是我們的耳朵沒(méi)這么靈敏而無(wú)法感覺(jué)出來(lái)，而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)兩小球運(yùn)動(dòng)不在同一平面無(wú)法拍了照片或視頻后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可見(jiàn)這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)還是有不少缺陷。而人教版必修2教材上第10頁(yè)的“做一做”并

3、沒(méi)有現(xiàn)成的器材，同時(shí)其中也有“用耳朵“聽(tīng)”來(lái)判斷兩球落地的先后”一段話(huà)。那么，能不能自制“新一代平拋豎落儀”結(jié)合數(shù)碼相機(jī)拍攝頻閃照片或視頻來(lái)驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)的豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng)？并真正的實(shí)現(xiàn)教材上的“做一做”。研究性學(xué)習(xí)小組確定通過(guò)查詢(xún)資料，擬訂自制教具方案并不斷調(diào)整和完善，自制平拋豎落儀并結(jié)合數(shù)碼相機(jī)幀播放來(lái)對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)加以分析，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果，以真正實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的可視化，并體會(huì)其中的方案提出到成果實(shí)驗(yàn)過(guò)程的各種程序，體驗(yàn)小組合作和自制教具的整個(gè)過(guò)程，而且這個(gè)教具是全國(guó)首創(chuàng)。 二、 研究?jī)?nèi)容1.自制“新一代平拋豎落儀”2. 利用“新一代平拋豎落儀”完成實(shí)驗(yàn)并

4、結(jié)合數(shù)碼相機(jī)驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)的豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng)三、 研究方法：1知網(wǎng)文獻(xiàn)查詢(xún)法（1）主要查詢(xún)數(shù)碼相機(jī)在研究平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的文獻(xiàn)；（2）自制教具的制作如何開(kāi)展和相關(guān)程序、注意點(diǎn)；2.行動(dòng)研究法主要是在自制教具過(guò)程中不斷調(diào)整和改進(jìn)研究的思路并加以實(shí)施。四、研究時(shí)間：本課題組的研究時(shí)間一般都安排在節(jié)假日、暑假、研究性學(xué)習(xí)時(shí)間。五、研究小故事：2014年5月一天，我們研究性學(xué)習(xí)小組的自制“新一代平拋豎落儀”實(shí)驗(yàn)遲遲沒(méi)有進(jìn)展，已做過(guò)多處改進(jìn)和探索，但A球的斜上拋運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有得到根本的改善。 小組成員都很失落，其中成員巴勒根、古麗哈森兩位同學(xué)提出肯定是我們的實(shí)驗(yàn)思路有問(wèn)題，或者找的材料不好。而成員馬宏

5、軍、成員葉斯哈提提出失敗的原因可能是這個(gè)實(shí)驗(yàn)教材設(shè)計(jì)思路本身就有題，只是我們普通學(xué)生是不可能發(fā)現(xiàn)而已，但知網(wǎng)上未收到這個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，比較遺憾。“我們還是放棄吧”，多位成員都這樣說(shuō)，實(shí)驗(yàn)一下子陷入了停滯。組長(zhǎng)沙尼亞面對(duì)成員的議論顯得很無(wú)奈，在成員從實(shí)驗(yàn)室走了以后，沙尼亞也默默地回家了。之后有一天，沙尼亞在家里吃完晚飯后擦桌子時(shí)不小心碰到了一個(gè)蜂蜜盒蓋，一下子蓋子飛了出去。沙尼亞眼角留意到了這一過(guò)程，突然她意識(shí)到“這不正是平拋運(yùn)動(dòng)嗎？”，也是在打擊下平拋出去。沙尼亞接著又把盒蓋從桌子上打擊了幾次，“那么自制平拋豎落儀能不能也設(shè)置一個(gè)平臺(tái)來(lái)取代直角槽”？組長(zhǎng)沙尼亞第二天喊上全體成員又投入到了實(shí)驗(yàn)創(chuàng)作

6、六、研究方案：（1）實(shí)驗(yàn)研討階段：小組確定自制必修2第10頁(yè)“做一做”教具，并確定了應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)來(lái)研究該實(shí)驗(yàn)，同時(shí)研討了該自制教具的可行性以及需要的相關(guān)器材和工具，可能需要的幫助等等。（2）查詢(xún)資料階段：全體組員在老師的協(xié)助下到學(xué)校電子閱覽室查詢(xún)知網(wǎng)期刊庫(kù)有關(guān)必修2第10頁(yè)“做一做”相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)，這說(shuō)明小組的研究是原創(chuàng)研究。而文獻(xiàn)中有關(guān)數(shù)碼相機(jī)研究平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的期刊論文幾乎都集中在頻閃照片法，但這需要暗室的環(huán)境，無(wú)法再普通教室里實(shí)現(xiàn)，并需要購(gòu)買(mǎi)頻閃光源，可行性比較差。所以小組的研究思路是在老師幫助下確定為使用數(shù)碼相機(jī)拍攝視頻后幀播放研究，并把相關(guān)數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用技巧打印出來(lái)供大家

7、參考。（3）準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)階段：Canon 100D一部、三腳架一臺(tái)、大木板一塊、深色亞光紙、雙面膠、電焊一把、沙皮一張、扇葉一片、榔頭一把、三把60cm長(zhǎng)的鋼尺、兩個(gè)等大的銀色鋼球、鋸子、鉗子、電鉆、砂輪機(jī)、自攻螺絲、90°直角平臺(tái)、固定螺栓等（有些器材是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程不斷更新和準(zhǔn)備的）。（4）具體自制教具和實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程：在人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理必修2教材第10頁(yè)中有一個(gè)“做一做”如圖1所示：如圖2，用小錘打擊彈性金屬片后，A球沿水平方向拋出，同時(shí)B球被松開(kāi)，自由下落，A、B兩球同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。觀察兩球哪個(gè)先落地。改變小球距地面的高度和打擊力度，重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明了什么問(wèn)

8、題？實(shí)驗(yàn)時(shí)也可以用耳朵“聽(tīng)”來(lái)判斷兩球落地的先后。小組進(jìn)過(guò)研討，確定了需要做一套與“做一做”幾乎完全一致的自制教具：首先在一大塊原本白色的木板上用雙面膠粘上深色亞光紙，目的是更好地觀看銀色的下落和平拋，然后把兩把鋼尺都截成兩段或三段，其中取其中兩段鋼尺帶圓孔凹槽的一端都折成“” 形直角槽，槽的折痕處在老師的幫助下用502膠水粘合，另一端用電鉆開(kāi)三個(gè)合適大小的小圓孔，并把其中一段“” 形直角槽鋼尺自攻螺絲固定在木板上，如圖3中左邊水平安裝的鋼尺。而剩下的還有一段帶有圓孔凹槽的鋼尺的另一端也用電鉆開(kāi)三個(gè)合適大小的小圓孔，該段鋼尺與另一段“” 形直角槽鋼尺502膠水粘合在一起，然后用固定螺栓固定在一

9、片扇葉上，而扇葉再固定在木板上。這里要注意的是，扇葉安裝時(shí)要圖3中兩把鋼尺的圓孔凹槽正對(duì)著并保持在同一水平線上，而且距離要合適，以便把銀色鋼球B放入剛好能夾緊而不下落，但豎直鋼尺受到錘子打擊時(shí)剛好做自由落體運(yùn)動(dòng)，而A球被下方圓孔凹槽拖住且靠緊豎直鋼尺而保持水平平衡（這也是與教材實(shí)驗(yàn)一個(gè)小小的改動(dòng)），這樣，按照教材“做一做”的思想方法，豎直鋼尺受到錘子打擊后A球應(yīng)該會(huì)做平拋運(yùn)動(dòng)。到此，小組都信心滿(mǎn)滿(mǎn)地開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，并用三腳架架好Canon 100D相機(jī)拍攝，錘子快速敲擊豎直鋼尺的中下端，兩球都開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，一切顯得都很順利，也正如教材上描述地那樣用肉眼的確看到兩個(gè)小球同時(shí)落地，用耳朵“聽(tīng)”更是聽(tīng)到了同一

10、個(gè)的撞擊地面的響聲。但是，當(dāng)改變小球距地面的高度（讓整個(gè)裝置更高）和打擊力度（捶打力度更大）時(shí)，似乎隱約可以用肉眼發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)的小球先落地，而撞擊地面的聲音仍是同一個(gè)，大家也隱約感覺(jué)到教材的做一做有問(wèn)題。于是，馬上把拍攝的視頻利用Canon 100D自帶的幀播放功能，也可以把視頻導(dǎo)入電腦用暴風(fēng)影音、KMPlayer等軟件進(jìn)行一幀一幀播放（比如，暴風(fēng)影音、KMPlayer等軟件都可進(jìn)行一幀一幀播放，即播放視頻文件后，到需要幀播放的位置暫停播放，暴風(fēng)影音按Ctrl+，KMPlayer按F鍵可以一幀一幀往后播放），大家驚訝地發(fā)現(xiàn)兩球的確同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，但在B球做自由落體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，A球并非做平拋運(yùn)

11、動(dòng)，而是做斜上拋運(yùn)動(dòng)，如圖3所示，那么這是不是偶然情況呢，小組有做了幾次同樣的實(shí)驗(yàn)，但只要用這套裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所有的視頻都是如此，而由于斜上拋不是很厲害，肉眼判斷落地是否同時(shí)，和用耳朵聽(tīng)響聲來(lái)判斷非常難。那么，是什么原因讓小球A做斜上拋呢？是不是最右端那根鋼尺的“” 形直角槽底部開(kāi)設(shè)的凹槽會(huì)對(duì)A球做平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)有影響呢？小組首先想到了更換焊接了一塊底部平整直角槽，并在豎直桿壁上安裝了兩個(gè)微微有一定夾力的簧片，只要既可起到固定小球的作用，又不影響小球受到敲擊后拋出。但實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，A球斜上拋運(yùn)動(dòng)絲毫沒(méi)有改善。小組組長(zhǎng)沙尼亞提出：由于豎直部分“” 形直角槽是用雙層鋼尺粘合做成導(dǎo)致硬度很大，所以稍受

12、打擊就使得“” 形直角槽向右上方傾斜，隨即A球斜上方拋出。于是小組做了當(dāng)時(shí)認(rèn)為頗為關(guān)鍵的改進(jìn)：把“” 形直角槽微微向左上方傾斜，為了控制受到打擊后不要突破豎直方向“” 形，在特定位置用固定于木板上的鋼條設(shè)置了一個(gè)擋位片，如圖5所示，那么在理論上豎直鋼尺受到錘子打擊后和小球一起向右瞬間加速，而當(dāng)一瞬間直角槽被擋位器擋住后，A球正好做平拋運(yùn)動(dòng)。到此，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)已經(jīng)對(duì)教材“做一做”做了更為具體的考慮，但在相機(jī)幀播放后發(fā)現(xiàn)，A球的斜上拋基本沒(méi)有得到根本的改善，如圖4所示。難道教材上的“做一做”是一個(gè)假想的理想實(shí)驗(yàn)？還是斜上拋運(yùn)動(dòng)有更深層次的原因？小組成員受到很大的打擊，一籌莫展，甚至有成員想打退堂鼓。

13、這個(gè)實(shí)驗(yàn)一下子耽擱了幾個(gè)星期。在這期間，組長(zhǎng)沙尼亞和其他成員仍不忘來(lái)重新做下實(shí)驗(yàn)來(lái)看看會(huì)不會(huì)突然間就成功了，但都失望而歸。但有一次，小組成員巴勒根在玩鋼尺時(shí)鋼尺的晃動(dòng)給了大家啟發(fā)，因?yàn)檫@個(gè)晃動(dòng)也同樣會(huì)出現(xiàn)在錘子敲擊豎直鋼尺時(shí)，也就是說(shuō)教材 “做一做”導(dǎo)致A球“斜上拋運(yùn)動(dòng)”的確有其必然性和病理所在，“” 形直角槽須具有剛性，以便瞬間把力傳導(dǎo)到A球上，但剛性“” 形直角槽會(huì)伴有一定的扭擺作用從而導(dǎo)致A球不可避免地做斜上拋運(yùn)動(dòng)。那么如何改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？是不是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的不可能做成，或者說(shuō)一時(shí)找不到合適的材料。突然有一天，小組組長(zhǎng)沙尼亞，她受到水平桌面上的小球受到水平打擊飛出桌面一定是平拋運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，那

14、么是否可以剛性“” 形直角槽改裝成“”，相當(dāng)于小球放置于一個(gè)水平平臺(tái)上，而且這個(gè)水平平臺(tái)可以通過(guò)新增加的槽口和螺栓來(lái)調(diào)節(jié)平臺(tái)的高度，如圖5所示。再次把A球、B球再次放置在改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置上，又是一次次錘擊、拍攝和幀播放，這一次，小組發(fā)現(xiàn)A球總是做平拋運(yùn)動(dòng)，而B(niǎo)球同時(shí)做自由落體運(yùn)動(dòng)，如圖6是擊打瞬間。用了看的更為清晰和便于分析，在老師的幫助下，小組使用KMPlayer軟件幀播放Canon 100D拍攝的視頻時(shí)進(jìn)行截屏，然后在用PhotoShop進(jìn)行了圖片合成，形成了類(lèi)頻閃照片，如圖7所示，可見(jiàn)A球和B球時(shí)時(shí)刻刻都在同一高度，換不同的高度或不同質(zhì)量的小球來(lái)完成該實(shí)驗(yàn)仍是這樣的結(jié)果，這說(shuō)明教材上這一個(gè)

15、“做一做”的確需要加以修正，關(guān)鍵是水平平臺(tái)不可或缺，換言之，教材上的這個(gè)“做一做”是一個(gè)“想當(dāng)然”的假性理想實(shí)驗(yàn)。到此，小組每一位成員都無(wú)比歡欣鼓舞，因?yàn)檫@是大家通過(guò)創(chuàng)新和實(shí)踐出來(lái)的原創(chuàng)性成果，雖然付出了很多辛苦，但成功的喜悅無(wú)比甜蜜。后來(lái)，小組還通過(guò)不同質(zhì)量的兩小球或不同高度來(lái)驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)，均取得了成功。事實(shí)上，小組在數(shù)碼相機(jī)的使用過(guò)程中也遇到過(guò)困難，因?yàn)橐婚_(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)拍出來(lái)的視頻在幀播放總是有非常明顯的拖尾現(xiàn)象，如圖3、4、6，當(dāng)然這樣的拖尾很容易看出小球是做斜上拋運(yùn)動(dòng)還是平拋運(yùn)動(dòng)，但也給小球具體到達(dá)的位置的判定帶來(lái)了困難。后來(lái)，小組通過(guò)上網(wǎng)查詢(xún)知道了其中相機(jī)的快門(mén)速度、光圈值、感光度的設(shè)置都

16、是有技巧的，也就是說(shuō)想使視頻幀播放不出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，正如圖7那樣，那就需要設(shè)置快門(mén)速度為1/1000s或1/500，光圈值F5.6，ISO感光度1600或3200，這樣雖然視頻可能稍微有點(diǎn)暗，但幀播放時(shí)小球的運(yùn)動(dòng)軌跡非常清晰，沒(méi)有拖尾現(xiàn)象。（5）研究評(píng)價(jià)：本實(shí)驗(yàn)本想實(shí)踐和證明了必修2教材上第10頁(yè)“做一做”，但通過(guò)自制教具的研究過(guò)程不僅發(fā)現(xiàn)了教材實(shí)驗(yàn)的缺陷，并在研討的基礎(chǔ)上改進(jìn)和完善了教材“做一做”，成功實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動(dòng)，與高度無(wú)關(guān)、與小球的質(zhì)量無(wú)關(guān)，當(dāng)然這個(gè)實(shí)驗(yàn)還不能證明平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動(dòng)。而本實(shí)驗(yàn)我們利用了數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)軟件的幀播放，以及錄屏軟件的錄制功能讓我們深刻地體會(huì)了一次高科技帶給我們的震撼。小組還認(rèn)為，在板上適當(dāng)?shù)奈恢觅N上坐標(biāo)紙或者刻度尺的讀數(shù)作為背景，這樣可以讓大家從實(shí)際視頻出發(fā)求解平拋小球的初速度，這樣就顯得這套自制教具就更具有非常好實(shí)際應(yīng)用價(jià)值了。七、研究體會(huì)：通過(guò)此次研究性學(xué)習(xí)，不僅發(fā)現(xiàn)了教材“做一做”設(shè)計(jì)的不足，讓我們意識(shí)到學(xué)習(xí)知識(shí)不能迷信于書(shū)本、迷信于權(quán)威，而要敢于質(zhì)疑，尤其是物理的學(xué)習(xí)，要敢于去嘗試實(shí)驗(yàn)。而自制教具的過(guò)程更是一次非常難得的自我思