高中物理人教版第五章曲線運動實驗研究平拋運動 平拋運動演示實驗的改進

平拋運動演示實驗的改進

摘要：現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)日新月異，高速發(fā)展，如何利用我們手中一些先進的工具，加入到我們的課堂教學(xué)中來，改進我們現(xiàn)有的教育教學(xué)手段，改進我們的現(xiàn)有實驗方式，提高教學(xué)效率，是擺在我們面前的一個熱門話題，也是我們一線教師在教育教學(xué)活動中應(yīng)該多觀察、多思考、多探究和多實踐的。例如，我們可以用具有頻閃功能的數(shù)碼相機來改進平拋運動演示實驗。

關(guān)鍵字：頻閃照相、平拋運動

一、用更精細的方法來演示平拋運動

粵教版必修2第一章《拋體運動》第四節(jié)《平拋物體的運動》，是高中物理中一個重要的知識點，也是高考考點。從原來的直線運動到曲線運動，學(xué)生的學(xué)習(xí)很容易遇到障礙，我們教師需要考慮怎樣將問題化難為簡。平拋運動的概念是：水平拋出的物體只在重力作用下的運動。從運動性質(zhì)上看，平拋運動是加速度為重力加速度的勻加速曲線運動，軌跡是拋物線。

圖1、傳統(tǒng)的平拋運動實驗器我們教師如何對平拋運動進行運動的分解和探究講解，才讓復(fù)雜的曲線運動簡單直觀和易于理解呢？傳統(tǒng)的平拋運動演示儀（如圖1），操作比較復(fù)雜、繁瑣，在課堂上做演示探究時比較費時，實驗得出平拋運動小球的痕跡是靠復(fù)寫紙留下的，時隱時現(xiàn)，不夠清晰，而且誤差比較大，不利于我們對平拋運動的分解學(xué)習(xí)，不利于對平拋運動特點的分析和論證。課本必修2第16頁提到：我們可以用頻閃照相的方法更精細地研究平拋運動的兩個分運動的性質(zhì)。并且附有頻閃照片，說明用頻閃照相的方法能得出更準確的數(shù)據(jù)。但是一般來說頻閃照相實驗在大學(xué)才有條件開展，在中學(xué)實驗室中并沒有配備這些實驗設(shè)備，我們?nèi)绾卫檬种鞋F(xiàn)有的器材（如相機）來實現(xiàn)頻閃照相呢？在熱愛攝影的劉主任的指導(dǎo)和協(xié)助下，我成功地實現(xiàn)了利用數(shù)碼相機對平拋運動的小球進行頻閃照相，取得良好的實驗效果。一、實驗過程1、實驗?zāi)康睦镁哂蓄l閃功能的數(shù)碼相機演示和分析平拋運動的特點

2、材料器具

平拋軌道（帶鋼球）、水平尺、具有頻閃功能的閃光燈（例如尼康SB800、SB900、索尼F58AM等）、支持手動功能的數(shù)碼相機、黑布（背景）、計算機及其輔助軟件（幾何畫板）。如圖2所示。

3、方法步驟

（1）安裝好平拋軌道，用水平尺檢測出口軌道是否水平；

（2）安裝好數(shù)碼相機（設(shè)定快門時間為1秒）及閃光燈（閃光頻率為20Hz，閃6次），調(diào)整好焦距；

（3）在斜軌上釋放小球，讓小球做平拋運動；

（4）按下快門，閃光燈多次曝光，抓拍小球在空中運動的圖像；

（5）重復(fù)步驟（3）和（4），選取一張效果最好的相片（小球剛好離開水平軌道）；

（6）將相片放在計算機的幾何畫板軟件中，套上網(wǎng)格線，分析做平拋運動的小球在水平方向和豎直方向上的運動特點。

4、實驗結(jié)果與結(jié)論

①從照片中可以很直觀地看到平拋運動的軌跡，如圖3所示；

②經(jīng)過幾何畫板的網(wǎng)格分析可見：相鄰的兩個小球在水平方向距離幾乎相等，在豎直方向上的距離比基本滿足1：3：5：……的關(guān)系，如圖4所示。說明做平拋運動的小球，在水平方向上做勻速直線運動，在豎直方向上做初速度為零的勻加速直線運動。

5、實驗注意：

（1）數(shù)碼相機的鏡頭最好使用定焦鏡，這樣就能更容易照出清晰的小球；

（2）實驗中最重要的器材之一就是具有頻閃功能的閃光燈，實驗前可以調(diào)節(jié)不同的頻率多次拍照，設(shè)定自己認為合適的閃光頻率和次數(shù)；

（3）如果直接對小鋼球進行拍照，會使光滑銀色的小鋼球反光導(dǎo)致照出來的小鋼球變成一個個光點，實驗時最好將小鋼球涂成白色；

（4）因為閃光燈多次曝光，反光很強，最好在黑色的背景下進行拍攝，比如用黑色棉布做背景，這樣才不至于反光太強，也能使相片中的小鋼球顯得更清晰。

三、討論與延伸

對于上述從實驗得出的結(jié)論，我們可以運用牛頓運動定律作出分析和解析。小鋼球離開水平軌道后，在水平方向（即初速度方向）上不受力，小鋼球由于慣性而做勻速直線運動，速度等于平拋物體的初速度。在豎直方向上，小鋼球只受重力的作用，并且初速度為零，小鋼球做自由落體運動。

綜上所述，我們可以得出如下結(jié)論：平拋運動在水平方向上的分運動是勻速直線運動；在豎直方向上的分運動是自由落體運動。

這樣，我們就可以把比較復(fù)雜的平拋運動分解為兩個簡單的直線運動，從而使問題的研究大大地簡化了，學(xué)生掌握平拋運動的特點也變得更加容易。

與傳統(tǒng)的平拋運動演示儀相比，用數(shù)碼相機頻閃照相得出來的平拋運動圖片，非常直觀，再用幾何畫板分析它的運動特點，準確明了，學(xué)生更容易理解和接受。雖然課本上有平拋運動的頻閃照片，但是中學(xué)實驗室里面基本沒有這樣的儀器，學(xué)生也不是很明白頻閃照相是怎么回事，通過對新技術(shù)的應(yīng)用，利用一臺帶手動功能的數(shù)碼相機和具有頻閃功能的閃光燈，我們也很容易實現(xiàn)頻閃照相，將復(fù)雜的曲線運動分解處理，使復(fù)雜的現(xiàn)象簡單明了，提高課堂效率。

在演示使用頻閃照相的過程中，我們可以抽一點時間來跟學(xué)生講解頻閃照相的原理，比如頻閃照相時閃光的時間間隔是固定的，它與打點計時器的效果有相同的地方，使學(xué)生以后面對有關(guān)頻閃問題時能夠從容面對。如果我們在照相的時候放上刻度尺，根據(jù)頻閃的頻率和兩個小球之間豎直方向的距離，可以計算平拋運動在豎直方向上的加速度（即重力加速度g），如圖5所示。我們還可以更進一步地在其它的實驗中實踐和探究使用頻閃照相技術(shù)，例如將頻閃照相技術(shù)應(yīng)用到牛頓第二定律的實驗中，代替打點計時器，可以完全消除因為紙帶與打點計時器間的摩擦帶來的影響。類似的應(yīng)用還有很多，這就需要我們物理教師在平時的教學(xué)活動中