流水法模拟平抛运动实验的改进
时间：2021-01-09 10:00:48 来源：达达文档网 本文已影响 人 
何武刚
摘 要：通过改进流水法模拟平抛运动装置，得到稳定的流水模拟平抛轨迹，再通过悬球法，保留模拟的平抛轨迹，器材简单，节约时间，误差小，从而实现定性与定量地探究和分析平抛运动的规律。
关键词：平抛运动;流水;悬球
物理教学以实验为基础，尤其是物理规律的教学往往离不开用实验为学生提供感性认知，通过实验探究让學生理解规律。平抛运动是曲线运动的典型代表，在高中物理教学中有着重要的地位。应用运动的合成与分解思想研究平抛运动，从而把复杂的运动转化为两个简单运动的合成，这也是学生必须掌握的重要物理学方法之一。因此，在平抛运动的教学中，要让学生在实验探究的过程中理解研究平抛运动时所用的运动的合成与分解的思想方法，做好平抛运动实验，就显得十分重要。
对于探究平抛运动规律的实验，广大物理教育工作者作了大量的研究，也创造性地设计了多种不同的实验方法。其中，普遍运用的有两种。第一种方法是使用传统J2154型平抛运动实验演示仪;第二种方法是利用频闪照相来研究平抛运动。这里不作冗述。
笔者在教学中受到《高中物理必修二》（人教版）第12页参考案例的启发，反复尝试流水法模拟平抛运动，不断改进实验条件，取得了很好的实验效果，现与大家分享。
1 流水法模拟平抛运动实验存在的问题
应用流水法模拟平抛运动实验，主要存在三个方面的问题，影响实验效果。
1.1 出水口的水流速度不稳定
应用流水法模拟平抛运动实验，要取得好的实验效果就必须保证出水口的水流速度恒定，而要保证出水口的水流速度恒定，实验时必须使出水口的压强恒定。如图1，该实验在瓶内水流出而液面高度降低时，通过平衡管A管不断往瓶内补充空气，以维持出水口压强的相对稳定。
由小孔流速原理，容易求出B管出水口水的速度。
但是，A管上升的气泡对B管出水口的流速产生了较大的扰动影响。
1.2 出水口难以保证水平
由于使用如图1所示的L型B管，整个储水设备要固定在铁架台上，这样要保证出水口水平就非常困难。
1.3 难以描绘出平抛运动轨迹，不容易发现水平方向和竖直方向的量值关系
由于流水时间比小球平抛实验的时间长，尽管便于用较长时间观察流水模拟的平抛运动轨迹，但难以描绘出流水模拟的平抛运动轨迹，致使流水模拟出来的平抛运动轨迹上每个点的水平位置和竖直位置不易测量，难以分析水平和竖直方向的运动规律。
2 对流水法模拟平抛运动实验的改进
改进一：如图2所示，针对出水口流速不稳定问题，将A管改为上端小口的滴管，使其平衡气压的气泡变小，扰动变小。另外，将广口瓶换为球形烧瓶，烧瓶有细长的瓶颈，可使A管的上端口与B管上端口拉开较大距离，以减小A管上端口的气泡对B管出水口流速的影响。烧瓶底部为体积较大的球体，能够存储的水量比较大，可以延长流水时间，便于学生长时间观察和后续实验。
改进二：针对出水口水平的问题，我们把制好的喷水装置，安装到铁架台上，通过水准仪校验铁架台底板水平。在铁架台上，将刻度尺固定水平，再通过刻度尺悬挂铅垂线检测出水口L型B管是否水平，通过反复调试就能保证出水口水平。
改进三：针对水流较粗，若用插针法保留痕迹，因针头较细，误差较大。采用光投影描迹，需要复杂设备[1]。我们改用黑色塑料小球，把悬球细线的一端拴接在刻度尺横杆的小钩上。保证观察小球球心在水流轨迹中心，这样误差就会减小。通过悬挂的小球，记录了水流的轨迹，便于实验数据的测量和研究。相对于平抛仪打击复写纸留痕和频闪照相留痕，有其巧妙之处。
3 改进后实验的演示及其效果
（1）实验装置
装置如图3所示，改进后的实验装置出水口水流水平，流速稳定。
（2）悬挂小球，保留痕迹
在铁架台上水平固定刻度尺，在刻度尺上等间隔地悬挂一些高度可调、半径均相同的小球。仔细调节每个小球的高度，使正面看上去小球正好都能挡住流水，但不接触，这样每个小球就可看成水流轨迹上的点。如果水流在水平方向做匀速直线运动，由于小球水平间距相同，因此水流经过每相邻两个小球的时间间隔必然相等。同时，如果水流在竖直方向做匀加速直线运动，则竖直方向在相等时间间隔内相邻位移之差Δs相等。因此，只需要测量每根细线的长度L，计算出每相邻两个小球的高度差Δh，再计算出相邻两个Δh之差Δs，看每个Δs在误差允许的范围内是否相等。若相等则说明平抛运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的匀加速直线运动。
（3）收集实验数据，分析验证
①数据记录
测量绳长：把小球竖直拉起，用刻度尺测出小球上孔到各悬挂点的距离，分别用L1、L2、L3、L4、L5、L6表示（如图4所示）。
②数据处理
③实验结论
在误差允许的范围内，我们认为Δs相等。结果表明：平抛运动在水平方向是匀速直线运动，在竖直方向是匀加速直线运动。
实验还可进一步探究，测得流水的水平速度，借助水平相等的间隔距离算出时间t，竖直方向再借助Δs=at2，利用Δs和t，算出a，与当地的g进行比较，从而更加科学地得出竖直方向为自由落体运动。
改进后的流水法模拟平抛运动实验的优势：一是将瞬间完成的平抛运动，先通过流水法等效延长运动现象，易于学生定性观察，再借助悬球法记录平抛运动的轨迹进行定量研究，实现了平抛运动的可观察、可测量。二是改进后B管出水口水流速度稳定，实验效果良好。三是使用最简单的器材，改进后的实验与其他实验方法相比易于操作，可用于演示实验，也可用于学生探究性实验，便于推广。而且，改进后的实验在教学中既做到了立足教材，将教材中要求学生动手制作的习题、拓展性活动、小制作等落到了实处，又将物理教学与校园科技活动深度融合，开发低成本、高效率实验，提高学生学习物理的兴趣，培养学生的实践意识[2]。
参考文献：
[1]丁亮，刘凯博，李俊，等.平抛运动实验的改进[J].实验教学与仪器，2018（11）：24-25.
[2]张宏齐.开发低成本高效率实验培养学生实践意识——以人教版中“瓶的应用”为例[J].物理通报，2019（6）：86-89.
[3]元庆余，勾伯达.平抛运动实验的改进与创新[J].湖南中学物理，2019（1）：90，47.
[4]高嵩，吴钰玮.“平抛运动”教学探究[J].物理教学，2019，41（8）：11-14.
[5]潘为森.关注生活实例 提升物理核心素养[J].中学物理教学参考，2019，48（5）：34-35.
（栏目编辑 王柏庐）
