平拋運動DIS與傳統(tǒng)實驗設計方案的對比研究

王璐??彭紅梅??牧仁

數(shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System，簡寫為DIS）相關內(nèi)容已經(jīng)編入人教版高中物理教材。DIS正在逐步融入高中物理實驗教學?！皩嶒灒貉芯科綊佭\動”是人教版高中物理（第3版）必修2第五章第3節(jié)的內(nèi)容。此教學內(nèi)容和目標是教師在學生學習“平拋運動”的知識基礎上，引導他們通過實驗對平拋運動規(guī)律進行驗證和探究，提高自主探究能力。此課教學在相關章節(jié)中有著重要地位^[1]。教師如何通過實驗引導學生從定量的角度分析平拋運動，建立物理實驗與理論推導的聯(lián)系？在傳統(tǒng)實驗教學中，教師主要采用描跡法、頻閃照相法教學。傳統(tǒng)教學存在很多不足：用描跡法實驗，數(shù)據(jù)誤差較大，還不能測出運動的時間，難以定量分析;用頻閃照相法實驗雖然可以利用頻閃功能確定時間，定量分析平拋運動，但課堂上頻閃照相操作太煩瑣。因此，大多數(shù)教師用描跡法開展實驗教學。人教第3版《高中物理（必修2）》^[2]與第2版《高中物理（必修2）》^[3]相比，增加篇幅介紹使用傳感器和計算機描繪平拋物體運動軌跡的方法，即DIS實驗。筆者以平拋運動為例，比較DIS實驗和傳統(tǒng)實驗教學，分析DIS的作用，總結(jié)DIS實驗與傳統(tǒng)實驗進行有效整合策略。

一、基于DIS的平拋運動實驗方案

（一）組裝實驗儀器，了解二維運動實驗器

圖1為二維平拋運動實驗的原理圖，信號發(fā)射器A在做平拋運動，運動軌跡為C所示的曲線。信號發(fā)射器A在運動的同時能夠向不同方向發(fā)射超聲波信號，而信號接收器B上的B₁、B₂能夠分別接收信號發(fā)射器傳來的超聲波信號。B₁、B₂各自測出收到超聲脈沖的時差，并由此計算它們各自與信號發(fā)射器的距離^[4]。B₁、B₂兩處的距離是已知的，只要B₁、B₂與A的距離確定，信號發(fā)射器A的位置就確定了。操作者將信號接收器B與計算機相連接，可以通過數(shù)據(jù)處理軟件顯示信號發(fā)射器的坐標。實驗中，數(shù)據(jù)采集頻率為50 Hz，即相鄰兩個點跡之間的時間間隔為0.02 s。

（二）調(diào)整實驗儀器，保證拋出點水平

如圖2所示，B為信號接收器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖1所示信號接收器相同，A為信號發(fā)射器，二者的工作原理與圖1的工作原理相同。為保證信號接收質(zhì)量，筆者調(diào)節(jié)二維運動接收器與平拋運動導軌的距離，控制在0.25 m左右，調(diào)節(jié)信號接收器的角度，使信號接收器與豎直方向的夾角在30°到60°之間。軌道的“傾斜部分”具有一定高度，可以保證物體從釋放器釋放后下落到“水平部分”以一定初速度拋出，此后被研究物體在空中做平拋運動。實驗前，操作者需利用水平儀對軌道的“水平部分”進行校準，如非水平，調(diào)節(jié)鐵架臺底座至水平儀水平即可。

（三）進行實驗，采集數(shù)據(jù)

儀器調(diào)節(jié)完畢后，筆者將信號接收器與計算機連接，并開啟相應的數(shù)據(jù)收集處理軟件。筆者打開信號發(fā)射器開關，讓學生觀察電腦屏幕。教師帶領學生手動改變發(fā)射器位置，使電腦屏幕上標識發(fā)射器的紅點相應地移動，確認兩者的運動對應無誤后，按照以下步驟做實驗：

①將試拋器固定在導軌上端的釋放器上，在平拋運動導軌下方放置接物網(wǎng)，釋放試拋器，確定落點，固定接物網(wǎng)。

②按下二維運動發(fā)射器的紅色按鈕，打開二維運動發(fā)射器，將二維運動發(fā)射器放置在圖2所示的原點固定支架處。

③點擊開始采集按鈕，點擊零點校準，使發(fā)射器在軌道內(nèi)水平移動，待放置穩(wěn)定后，點擊水平校準。

④將發(fā)射器固定在釋放器上。

⑤點擊實驗界面底部的記錄數(shù)據(jù)按鈕，釋放二維運動信號發(fā)射器。待二維運動發(fā)射器落地后，軟件自動停止采集，同時軟件界面會得到信號發(fā)射器的平拋運動軌跡圖像。

⑥點擊界面底部的二次擬合按鈕后，呈現(xiàn)平拋運動的軌跡圖像——二次函數(shù)拋物線。點擊x分解，將運動分解到水平方向上。點擊y分解，將運動分解到豎直方向上。點擊界面底部的重力加速度按鈕，得到以時間為x軸，以水平方向速度和豎直方向速度為y軸的v-t圖像。隨即，信息處理軟件自動計算重力加速度和水平初速度。這樣便完成實驗數(shù)據(jù)的采集。

（四）數(shù)據(jù)處理，結(jié)果分析

1.對曲線進行擬合，得出運動軌跡

圖3為平拋運動DIS實驗結(jié)果圖。a圖為采集到的平拋運動軌跡圖;b圖為平拋運動被分解后水平方向運動和豎直方向運動圖像。

圖4為操作者點擊二次擬合按鈕得出的運動擬合圖像。學生觀察圖像，可以直觀地觀察到平拋運動的軌跡為拋物線。同時，圖4右側(cè)表格顯示平拋運動的水平位移x與豎直位移y和y/x²的數(shù)據(jù)，學生可以觀察到y/x²的數(shù)值為定值。學生通過定量分析，發(fā)現(xiàn)平拋運動的物體軌跡為拋物線。

2.對分運動規(guī)律進行分析

操作者點擊軟件下方的加速度按鈕，得到如圖5所示的豎直方向、水平方向的速度—時間圖像，同時頁面左下角顯示計算得到的重力加速度為9.64 m/s²，水平初速度為1.23 m/s。學生通過速度—時間圖像可以看出水平方向的速度—時間圖像為一條平行于時間軸的直線，豎直方向的速度—時間圖像為過原點的傾斜直線。實驗證明，平拋運動在水平方向的分運動為勻速直線運動，豎直方向的分運動為初速度為零的勻加速直線運動，即自由落體運動^[5]。

二、平拋運動傳統(tǒng)實驗方案

（一）組裝和調(diào)節(jié)儀器

傳統(tǒng)實驗中，師生常用如圖6所示的J2154型平拋運動實驗器做實驗。在使用前，教師指導學生對儀器進行水平調(diào)節(jié)以確保小球做平拋運動。學生首先進行底板調(diào)平，通過儀器中間的螺絲進行水平調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中觀察兩側(cè)水平儀的氣泡，若氣泡居中，則底板水平。底板水平調(diào)節(jié)完畢后，學生將小球放到軌道的末端，觀察小球是否靜止，檢驗軌道末端是否水平。如不水平，需調(diào)節(jié)軌道下方螺母進行軌道末端調(diào)節(jié)。

（二）進行實驗，記錄數(shù)據(jù)

儀器調(diào)節(jié)完畢后，學生按照以下步驟實驗。

①用磁釘將白紙和復寫紙固定在裝置背板上。

②裝置中有一個水平放置的可上下調(diào)節(jié)的傾斜擋板。學生打開開關，使鋼球從同一高度飛出，落到擋板上。鋼球落到傾斜的擋板上后，擠壓復寫紙，在白紙上留下印跡。

③多次將擋板下移，打出多個點。

④取下白紙用平滑的曲線將白紙上留下的小球印跡連接起來，得出小球做平拋運動的軌跡。

圖7為某小組的平拋運動實驗結(jié)果圖。學生將所得軌跡，以重垂線方向為y軸，過原點沿著水平方向作x軸，在X軸上作出等距離的點x₁，x₂，x₃，x₄，…，過x₁，x₂，x₃，x₄，…點作x軸垂線，將與平拋軌跡的交點向y軸作垂線，相交于y₁，y₂，y₃，y₄，…，分別測量各點到原點的距離，得到各點坐標。

（三）實驗結(jié)果分析

1.運動軌跡的分析

在建立直角坐標系得到每點坐標的同時，學生得到該平拋運動的水平位移x與豎直位移y。某組學生將得到的水平位移x與豎直位移y代入y/x²進行運算，得出y/x²≈0.08是一個常數(shù)，進而得出平拋運動軌跡為拋物線的結(jié)論。同時，由y=1/2gt²、x=v₀t，學生得到平拋運動初速度公式?，將平拋運動的坐標點（x，y）代入公式?????????????，多次運算求平均值，得到平拋運動的初速度為v₀=0.76 m/s（見表1）。

2.對分運動規(guī)律進行分析

（1）分析豎直方向運動規(guī)律。

學生用描跡法實驗無法準確得出每個點跡的時間，因此無法對平拋運動規(guī)律進行定量分析，為分析平拋運動規(guī)律，利用平拋運動實驗器進行同步實驗觀察。如圖8所示，當小球從磁吸導軌水平末端經(jīng)過時，光電門被遮擋。豎直磁吸點的小球與平拋運動小球同時下落。圖8中a圖展現(xiàn)的是小球通過光電門兩球開始同時下落;b圖、c圖展現(xiàn)的是小球下落過程;d圖展現(xiàn)的是兩球同時落地。學生觀察做平拋運動的小球與自由落體運動的小球，發(fā)現(xiàn)在相同時間內(nèi)，做平拋運動的小球在豎直方向上的位移與自由落體運動的小球位移相同。由此，學生定性地分析出平拋運動的小球在豎直方向的分運動為自由落體運動^[6]。

（2）分析水平方向運動規(guī)律。

如圖9所示，學生在磁吸導軌1和磁吸導軌2上同時放置小球。如圖9中a圖所示，學生按下開關，讓兩小球同時開始移動。經(jīng)過水平位置后，導軌1上的小球做平拋運動，導軌2上的小球做具有一定初速度的勻速直線運動。圖9中b圖和c圖為兩小球運動一段時間的二者運動圖像，d圖為兩小球即將碰撞的圖像。學生觀察兩小球的水平位移后發(fā)現(xiàn)，它們在相同時間內(nèi)水平位移相同。學生由此定性分析得出結(jié)論，平拋運動小球在水平方向的分運動為勻速直線運動。

三、對比研究

筆者將平拋運動的DIS實驗教學方案與傳統(tǒng)實驗教學方案做了比較，分析結(jié)果見表2。

（一）課堂教學用時

在傳統(tǒng)實驗教學中，學生在閱讀實驗說明書后，進行實驗操作得到運動軌跡識別點，再用一定的時間將其連接起來，建立坐標。學生花費大量時間進行取值運算，難以在課上完成數(shù)據(jù)的處理工作。與傳統(tǒng)實驗方法相比，DIS實驗效率非常高：學生儀器調(diào)節(jié)好后，1分鐘左右即可完成數(shù)據(jù)采集。新實驗操作方便、顯示直觀令學生印象深刻。此外，學生用DIS做實驗不用在數(shù)據(jù)采集等方面專門花費時間，有更多時間進行思考和練習，鞏固所學知識。

（二）實驗數(shù)據(jù)

在傳統(tǒng)實驗中，學生打完點跡后，需要建立坐標系，描繪軌跡，測出坐標點，易產(chǎn)生誤差。筆者對比兩組實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在用傳統(tǒng)方法實驗雖然可以通過運算得出相應規(guī)律，但不利于學生在所取的等時的數(shù)據(jù)點上直接觀察進而探究平拋運動的規(guī)律。DIS實驗有利于學生發(fā)現(xiàn)水平位移間隔為定值，而傳統(tǒng)實驗中相同時間間隔內(nèi)的水平位移誤差較大。

（三）教學效果

DIS實驗儀器在測量平拋運動的時間方面，具有精度高的特點。從信號發(fā)射器斜軌末端水平部分飛出開始計時至小球與地面碰撞結(jié)束，DIS儀器記錄實驗全過程，體現(xiàn)了過程的直觀性。這一測定功能的應用解決了傳統(tǒng)實驗難以準確直接測定平拋運動的全過程的時間的問題，為學生定量分析平拋運動規(guī)律提供可能，彌補了傳統(tǒng)實驗不能夠定量地分析平拋運動規(guī)律的不足^[6][7]。

（四）對學生能力的培養(yǎng)

與傳統(tǒng)實驗相比，DIS實驗能夠更為簡潔地得出平拋運動的軌跡，并且計算運動初速度。傳統(tǒng)方法側(cè)重學生進行數(shù)據(jù)處理與運算，以開拓學生的思維，培養(yǎng)學生觀察能力和計算能力;而DIS實驗的優(yōu)勢是利用數(shù)字化技術實現(xiàn)智能呈現(xiàn)，有利于增強學生關注前沿科技的意識以及適應現(xiàn)代化學習的能力^[8]。

綜上所述，教師開展平拋運動教學時，可以將傳統(tǒng)實驗和DIS實驗有效地整合起來，引導學生定性、定量地探究平拋運動的規(guī)律。教師可以應用DIS實驗的強大繪圖功能，縮減采集實驗數(shù)據(jù)時間，同時讓學生利用傳統(tǒng)實驗的計算方法驗證信息處理軟件呈現(xiàn)的結(jié)果，達到提高課堂教學效率和培養(yǎng)學生數(shù)據(jù)處理能力的目的。DIS實驗與傳統(tǒng)實驗各有優(yōu)點，教師不能將二者對立起來，DIS實驗與傳統(tǒng)實驗沒有主次之分，DIS實驗不是對傳統(tǒng)實驗方法的推翻與重建，而是繼承與發(fā)展。筆者通過平拋運動課例比較，分析了DIS實驗在高中物理教學中的優(yōu)越性，明確了將DIS實驗與傳統(tǒng)實驗整合的原則，即科學性原則、適用性原則、優(yōu)化性原則、全面提高學生的物理學科核心素養(yǎng)原則，供同仁參考。

注：本文系內(nèi)蒙古自治區(qū)教育科學研究“十三五”規(guī)劃項目（NGJGH2018106）和內(nèi)蒙古民族大學物理師范生培養(yǎng)團隊建設項目的課題研究成果。

參考文獻

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[3] 物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書物理（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2006.

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[8] 裴超，楊效華.利用DIS實驗裝置探究平拋運動軌跡及規(guī)律[J].物理通報，2017（12）：75-76.

（作者王璐系內(nèi)蒙古民族大學數(shù)理學院碩士研究生;彭紅梅系內(nèi)蒙古民族大學數(shù)理學院教授;牧仁系內(nèi)蒙古民族大學工學院副教授）