平抛运动实验仪器的改进

摘要

针对教材实验仪器的不足，利用相关器材及软件改进人教版（2019年版）高中物理必修第二册中的平抛运动实验仪器。改进后的实验仪器不仅能直观地观察到平抛运动的轨迹，还能基于理论验证小球做平抛运动的特点。

Graphical abstract

关键词

平抛运动 / 磁性塑料绘图板 / 智能手机 / 实验改进

针对探究平抛运动规律的实验，物理教育工作者做了大量的研究，创造性地设计了各种各样的实验仪器。目前的探究平抛运动实验仪器包括：采用频闪照相或者软件录制视频，借此描绘运动轨迹；光电门是中学标配器材，可利用光电门器材描绘平抛运动轨迹；采用传感技术对平面抛投轨迹进行研究；采用计算机对平面抛投的轨迹进行绘制；采用流水方法绘制平面抛物的运动轨迹^［1-5］。在探讨平抛垂直运动特征时，采用小锤子敲击弹体，即可将球体横向抛出并做平抛运动；与此同时，另外一个球是做自由落体运动，借此比较下落到地的时间。

实际上，上述实验方法在高中物理实验教学中使用较少，同时部分实验无法做到方便、直观。

1 实验需要解决的问题

（1） 平抛运动是曲线运动，速度和位移方向时刻都在变化。与前面学习的牛顿运动定律不同，平抛运动需要运用到画曲为直的思想，这也是这节教学的难点。因此，在进行演示实验时，采用什么样的方法留下一条清晰的运动轨迹是本节课的关键。

（2） 探究平抛运动竖直方向的运动是自由落体运动的新方法。

（3） 原实验需要进行多次实验，因此，有必要减少实验次数以提高教学效率。

2 原平抛运动实验装置的不足

2.1 探究平抛运动轨迹仪器的不足

（1） 利用频闪相机描绘平抛运动轨迹的不足。

对于描绘小球做平抛运动的轨迹实验，人教版2019年版高中物理必修第二册教材中所列的实验后的平抛运动轨迹如图1所示。图1采用频闪照相的方法，记录小球在不同时间点的位置。根据所得照片，学生可进行观察并探究平抛运动规律。

该操作实验中的不足之处是小球在做平抛运动时，采用频闪相机连续拍照，记录不同时刻小球位置所得的多张照片，再合成为一张照片，耗时费力，耽误了学生的上课时间。

（2） 传统平抛运动实验仪器的不足。

2019年版人教版高中物理必修二第二册中展示的实验仪器如图2所示。在进行实验时，“小球做平抛运动后会落到挡板N上，与此同时小球会挤压复写纸，从而在白纸上留下痕迹。上下多次调节挡板N，重复实验，记录小球多次经过的位置。最后，再将这些痕迹用笔平滑地连起来，就能得到小球做平抛运动的轨迹”^［6］。

该实验的不足之处：①小球落入挡板上会与挡板进行碰撞而不能马上停下来，所以记录的点也就不止一个。最终描绘这些点的轨迹存在一定误差；②每次平抛运动后的描点都要移开复写纸，再将复写纸归位，既操作麻烦，又耽误上课时间。

2.2 探究平抛运动竖直方向运动规律仪器的不足

针对探究平抛运动竖直方向运动的特点实验，课本上给出的演示实验如图3所示。在实验时，小锤击打弹性片后，A小球就顺着轨道末端水平方向滑出并做平抛运动；与此同时，B小球也被放开自由下落，并做自由落体运动。两小球同时运动，即可观察比较两个小球落地时间的先后情况。

该实验仪器装置的不足是，通过眼睛观察A、B两小球是否同时落地是不可取的。对中学生来说，因为两小球下落时间太短，所以判断两者是否同时落地比较困难。

3 平抛运动实验仪器的改进

3.1 平抛运动轨迹实验仪器的改进

为了优化平抛运动实验的教学效果，减少教师操作时间，提高课堂效率，笔者针对以上两个描绘平抛运动的实验装置进行了改进。在生活中，常见儿童用磁性塑料绘图板画画写字，受此启发，在描绘平抛运动轨迹的实验中，笔者采用磁性塑料绘图板的特性来描绘平抛运动轨迹。

（1） 用磁性塑料绘图板改进实验仪器。

原理：磁性塑料绘图板内每个小网格里装有黑色的磁粉。黑色的磁性粉末被静电吸附到塑料绘图板上，并且在绘图板内部有栅格，便于磁性粉末的滞留。当磁笔在画布上写字、画图案时，磁笔的轨迹就会把磁粉吸到画板上，从而把磁粉吸到白板上，留下一道被磁笔划过的痕迹。擦掉后，痕迹会消失^［7］。

实验仪器：磁性小球、磁性塑料绘图板、铝制轨道、底座、水准器、调平螺旋、沙石缓冲垫、擦除器、固定横尺、可移动竖尺、竖尺滑杆等。

实验操作：磁力的产生不需要两个带磁性物体相互接触，减少了物体之间的摩擦，将平抛运动的屏板换成带磁性的塑料绘图板。另外发现，磁性较强的小球在离磁性塑料绘图板1～3 mm时，其轨迹较为明显。用带有较强磁性的小球替代普通的小钢球进行平抛运动轨迹描绘实验，就能在绘图板上看到清晰的运动轨迹，方便简洁，便于操作，解决了教材实验仪器的不足。其实验仪器如图4所示。

实验过程：在实验前，先要用擦除器将磁性塑料绘图板上留存的印迹擦除，保证绘图板表面整洁干净。将擦除器水平移到绘图板的轨道上方位置，避免由于擦除器的影响造成小球做平抛运动后留在绘图板上的轨迹不连续。将可移动竖尺移动到远离轨道一侧上，防止磁性小球做平抛运动时砸到竖尺上。需要通过调平仪和水平仪对实验装置进行调平，以确保磁性小球滚落到轨道末端时速度方向是水平的。最终，在画板上形成的轨迹就是小球平抛运动后的轨迹，从而获得平抛运动的轨迹，如图4所示。在课堂教学中，采用传统装置与改进装置描绘平抛运动轨迹耗时对比如表1所示。

（2） 改进实验仪器的优缺点。

①带有磁性的小球在进行平抛运动时，可以一次性地在磁性塑料绘图板上显现出小球的运动轨迹，不需要多次重复实验描点画出运动轨迹。

②充分利用磁性塑料绘图板的特性，很容易探究出磁性小球在不同水平初速度下的平抛运动规律。

③该实验仪器的底座上装有沙石缓冲垫，有效避免了小球滚落出实验平台或撞击力度过大使小球弹起来对小球轨迹的影响。

④该实验仪器移动方便，操作简单，实验效率高，节约了课堂教学时间。

⑤该实验仪器上装有铝制轨道，可防止磁性小球与原有铁质轨道相互吸引导致实验无法进行的问题。

⑥不足之处：磁性小球和磁性塑料绘图板之间的磁力较为微弱，超过一定距离会导致实验现象不明显。要想使实验效果明显，应尽量使轨道贴近屏板，减小距离。

3.2 探究平抛运动竖直方向运动规律实验仪器的改进

（1）用智能手机和喀秋莎录屏软件改进实验仪器^［8-12］。

教师用书^［8］中提及比较小球做平抛运动的时间和自由落体的时间，借此验证平抛运动竖直方向的特点，但教材中未涉及相关实验仪器。因此，笔者介绍一款利用智能手机慢放功能和喀秋莎录屏软件（Camtasia Studio）改进平抛运动演示实验的装置。通过手机慢放功能和喀秋莎录屏软件，不但能够展示教材中的实验内容，而且能够较为准确地记录小球做平抛运动的时间以及做自由落体运动的时间，就可以据此得出小球做平抛运动的时间与小球做自由落体的时间相等的结论。

喀秋莎录屏软件录制视频的时间可精确到0.01 s。如果把视频转移到喀秋莎录屏软件中进行分析，就能够记录整个平抛运动的时间，同时可以得出多组位置坐标和小球到达该位置的时间，最后整理得到整个平抛的时间。进一步分析多组数据，可以得出小球做自由落体运动以及做平抛运动的规律。平板上画有网格，当小球被抛的时候，以屏板为背景，小球各个位置的坐标即可被记录，继而绘出小球的轨迹。

（2） 平抛运动竖直方向运动特点的实验操作。

实验原理：利用手机慢放功能拍摄小球做平抛运动的视频，再将视频导入喀秋莎视频软件中，利用该软件自带的计时功能，记录小球初始时刻和做平抛运动后末时刻的时间；同理，可记录小球做自由落体运动时间。

实验仪器：手机（自带慢放功能相机）、白板、小钢球、电脑、喀秋莎录屏软件。

实验操作：①在屏板上画上方格，小格子大小为 0.5 mm×0.5 mm；②固定小球，将小球固定在轨道上后，将小球释放，从屏板左上角水平抛出，然后确定水平发射初位置为坐标原点，方便后面记录小球初始时刻；③再将智能手机固定在三脚架上，然后调整手机与屏板之间的距离，使手机刚好可以录下整个屏板；④将小球从同一高度释放，重复多次实验，并且用智能手机的慢动作功能录下每次做平抛运动的视频，将视频保存下来；⑤将保存好的视频导入喀秋莎录屏软件，记录下录屏软件中小球做平抛运动的初始时间t₁以及落到平板上的时间t₂；⑥再将小球从水平发射位置处释放，让小球做自由落体运动，分别记下初始位置时刻t₁'和落到挡板上的时刻t₂'；⑦分析、比较实验数据。

实验数据记录：小球做平抛运动数据如表2所示，小球做自由落体数据如表3所示。

实验数据整理与分析：

①计算小球做平抛运动以及自由落体运动的时间：Δt=t₁-t₂；Δt'=t₁'-t₂'；。

②计算小球做平抛运动以及自由落体运动时间的平均值{\overline{T}}_{\mathrm{1}}、{\overline{T}}_{\mathrm{2}}。

③利用Excel计算出小球做平抛运动以及自由落体运动时间的标准差。

④利用Excel计算误差。

计算结果如表4、表5所示。

小球做平抛运动的时间：T_{\mathrm{1}}={\overline{T}}_{\mathrm{1}}+Ux=\mathrm{1.9788}\pm \mathrm{0.004}。小球做自由落体运动的时间：T_{\mathrm{2}}={\overline{T}}_{\mathrm{2}}+Ux=\mathrm{1.972}\pm \mathrm{0.007}。

分析：分析数据可得，小球分别做平抛运动和自由落体运动的平均时间相同。经误差分析，结果在误差允许范围内（0.01s），据此认为平抛运动的时间与自由落体运动的时间相等。小球做平抛运动时，考虑到其竖直方向上初速度为0且只受重力，故平抛运动的竖直方向的分运动为自由落体运动。

（3） 改进实验仪器的优缺点。

①改进后的平抛运动实验仪器解决了传统平抛运动实验仪器难于观察的缺点。在探究平抛运动竖直方向运动时，有助于学生突破平抛运动在垂直方向和自由落体运动对比实验观察、分析的难点，实验现象明显。

②一方面能够让学生参与数据处理和实验研究过程，激发学生的学习兴趣；另一方面学生可以测量数据并对其进行简单的运算，从而得出平抛运动沿水平方向和沿竖直方向运动的规律，启发学生思维。

③帮助学生克服学习障碍，提高教学效果。该实验装置不仅可以帮助学生观察平抛运动中转瞬即逝的现象，还可以突破教学难点。

④成本较低，性价比高。探究平抛运动竖直方向上的特点，与常规的仪器相比，改进后的实验仪器的成本相对较低。对部分资金短缺、无力提供昂贵教学设备的学校和地区来说，是一种很好的借鉴。当然，在课堂上采用这种方法探究平抛运动竖直方向运动的特点有其不足之处，不仅需要进行多组重复实验，而且需要计算平均值进行比较，比较耗时。

⑤实用性较高、重复性较强。相较于传统平抛实验教学仪器，改进后的实验仪器具有设计简单、易于操作的优点，学生可以快速上手并进行实验；可重复操作，实验结果可靠，误差较小。

参考文献

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