流水法模擬平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

何武剛

摘? ?要：通過(guò)改進(jìn)流水法模擬平拋運(yùn)動(dòng)裝置，得到穩(wěn)定的流水模擬平拋軌跡，再通過(guò)懸球法，保留模擬的平拋軌跡，器材簡(jiǎn)單，節(jié)約時(shí)間，誤差小，從而實(shí)現(xiàn)定性與定量地探究和分析平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：平拋運(yùn)動(dòng);流水;懸球

物理教學(xué)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，尤其是物理規(guī)律的教學(xué)往往離不開(kāi)用實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供感性認(rèn)知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生理解規(guī)律。平拋運(yùn)動(dòng)是曲線運(yùn)動(dòng)的典型代表，在高中物理教學(xué)中有著重要的地位。應(yīng)用運(yùn)動(dòng)的合成與分解思想研究平拋運(yùn)動(dòng)，從而把復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的合成，這也是學(xué)生必須掌握的重要物理學(xué)方法之一。因此，在平拋運(yùn)動(dòng)的教學(xué)中，要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究的過(guò)程中理解研究平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)所用的運(yùn)動(dòng)的合成與分解的思想方法，做好平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，就顯得十分重要。

對(duì)于探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，廣大物理教育工作者作了大量的研究，也創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了多種不同的實(shí)驗(yàn)方法。其中，普遍運(yùn)用的有兩種。第一種方法是使用傳統(tǒng)J2154型平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)演示儀;第二種方法是利用頻閃照相來(lái)研究平拋運(yùn)動(dòng)。這里不作冗述。

筆者在教學(xué)中受到《高中物理必修二》（人教版）第12頁(yè)參考案例的啟發(fā)，反復(fù)嘗試流水法模擬平拋運(yùn)動(dòng)，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果，現(xiàn)與大家分享。

1? ? 流水法模擬平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

應(yīng)用流水法模擬平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，主要存在三個(gè)方面的問(wèn)題，影響實(shí)驗(yàn)效果。

1.1? ? 出水口的水流速度不穩(wěn)定

應(yīng)用流水法模擬平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，要取得好的實(shí)驗(yàn)效果就必須保證出水口的水流速度恒定，而要保證出水口的水流速度恒定，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須使出水口的壓強(qiáng)恒定。如圖1，該實(shí)驗(yàn)在瓶?jī)?nèi)水流出而液面高度降低時(shí)，通過(guò)平衡管A管不斷往瓶?jī)?nèi)補(bǔ)充空氣，以維持出水口壓強(qiáng)的相對(duì)穩(wěn)定。

由小孔流速原理，容易求出B管出水口水的速度。

但是，A管上升的氣泡對(duì)B管出水口的流速產(chǎn)生了較大的擾動(dòng)影響。

1.2? ? 出水口難以保證水平

由于使用如圖1所示的L型B管，整個(gè)儲(chǔ)水設(shè)備要固定在鐵架臺(tái)上，這樣要保證出水口水平就非常困難。

1.3? ? 難以描繪出平拋運(yùn)動(dòng)軌跡，不容易發(fā)現(xiàn)水平方向和豎直方向的量值關(guān)系

由于流水時(shí)間比小球平拋實(shí)驗(yàn)的時(shí)間長(zhǎng)，盡管便于用較長(zhǎng)時(shí)間觀察流水模擬的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡，但難以描繪出流水模擬的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡，致使流水模擬出來(lái)的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡上每個(gè)點(diǎn)的水平位置和豎直位置不易測(cè)量，難以分析水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2? ? 對(duì)流水法模擬平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

改進(jìn)一：如圖2所示，針對(duì)出水口流速不穩(wěn)定問(wèn)題，將A管改為上端小口的滴管，使其平衡氣壓的氣泡變小，擾動(dòng)變小。另外，將廣口瓶換為球形燒瓶，燒瓶有細(xì)長(zhǎng)的瓶頸，可使A管的上端口與B管上端口拉開(kāi)較大距離，以減小A管上端口的氣泡對(duì)B管出水口流速的影響。燒瓶底部為體積較大的球體，能夠存儲(chǔ)的水量比較大，可以延長(zhǎng)流水時(shí)間，便于學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間觀察和后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

改進(jìn)二：針對(duì)出水口水平的問(wèn)題，我們把制好的噴水裝置，安裝到鐵架臺(tái)上，通過(guò)水準(zhǔn)儀校驗(yàn)鐵架臺(tái)底板水平。在鐵架臺(tái)上，將刻度尺固定水平，再通過(guò)刻度尺懸掛鉛垂線檢測(cè)出水口L型B管是否水平，通過(guò)反復(fù)調(diào)試就能保證出水口水平。

改進(jìn)三：針對(duì)水流較粗，若用插針?lè)ūＡ艉圹E，因針頭較細(xì)，誤差較大。采用光投影描跡，需要復(fù)雜設(shè)備[1]。我們改用黑色塑料小球，把懸球細(xì)線的一端拴接在刻度尺橫桿的小鉤上。保證觀察小球球心在水流軌跡中心，這樣誤差就會(huì)減小。通過(guò)懸掛的小球，記錄了水流的軌跡，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和研究。相對(duì)于平拋儀打擊復(fù)寫(xiě)紙留痕和頻閃照相留痕，有其巧妙之處。

3? ? 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的演示及其效果

（1）實(shí)驗(yàn)裝置

裝置如圖3所示，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置出水口水流水平，流速穩(wěn)定。

（2）懸掛小球，保留痕跡

在鐵架臺(tái)上水平固定刻度尺，在刻度尺上等間隔地懸掛一些高度可調(diào)、半徑均相同的小球。仔細(xì)調(diào)節(jié)每個(gè)小球的高度，使正面看上去小球正好都能擋住流水，但不接觸，這樣每個(gè)小球就可看成水流軌跡上的點(diǎn)。如果水流在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，由于小球水平間距相同，因此水流經(jīng)過(guò)每相鄰兩個(gè)小球的時(shí)間間隔必然相等。同時(shí)，如果水流在豎直方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則豎直方向在相等時(shí)間間隔內(nèi)相鄰位移之差Δs相等。因此，只需要測(cè)量每根細(xì)線的長(zhǎng)度L，計(jì)算出每相鄰兩個(gè)小球的高度差Δh，再計(jì)算出相鄰兩個(gè)Δh之差Δs，看每個(gè)Δs在誤差允許的范圍內(nèi)是否相等。若相等則說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)可以分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

（3）收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證

①數(shù)據(jù)記錄

測(cè)量繩長(zhǎng)：把小球豎直拉起，用刻度尺測(cè)出小球上孔到各懸掛點(diǎn)的距離，分別用L1、L2、L3、L4、L5、L6表示（如圖4所示）。

②數(shù)據(jù)處理

③實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在誤差允許的范圍內(nèi)，我們認(rèn)為Δs相等。結(jié)果表明：平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向是勻速直線運(yùn)動(dòng)，在豎直方向是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)還可進(jìn)一步探究，測(cè)得流水的水平速度，借助水平相等的間隔距離算出時(shí)間t，豎直方向再借助Δs=at2，利用Δs和t，算出a，與當(dāng)?shù)氐膅進(jìn)行比較，從而更加科學(xué)地得出豎直方向?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動(dòng)。

改進(jìn)后的流水法模擬平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)：一是將瞬間完成的平拋運(yùn)動(dòng)，先通過(guò)流水法等效延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，易于學(xué)生定性觀察，再借助懸球法記錄平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行定量研究，實(shí)現(xiàn)了平拋運(yùn)動(dòng)的可觀察、可測(cè)量。二是改進(jìn)后B管出水口水流速度穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)效果良好。三是使用最簡(jiǎn)單的器材，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)與其他實(shí)驗(yàn)方法相比易于操作，可用于演示實(shí)驗(yàn)，也可用于學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)，便于推廣。而且，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中既做到了立足教材，將教材中要求學(xué)生動(dòng)手制作的習(xí)題、拓展性活動(dòng)、小制作等落到了實(shí)處，又將物理教學(xué)與校園科技活動(dòng)深度融合，開(kāi)發(fā)低成本、高效率實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)[2]。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張宏齊.開(kāi)發(fā)低成本高效率實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐意識(shí)——以人教版中“瓶的應(yīng)用”為例[J].物理通報(bào)，2019（6）：86-89.

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（欄目編輯? ? 王柏廬）