普通高中學(xué)生研究性學(xué)習(xí)成果評獎(jiǎng)

1、普通高中學(xué)生研究性學(xué)習(xí)成果評獎(jiǎng)申報(bào)報(bào)告課題名稱： 自制“新一代平拋豎落儀” 研究起止時(shí)間：2014年3月7月所在地州學(xué)校： 伊犁州鞏留縣高級中學(xué) 所在班級： 高二（2） 課題組長（負(fù)責(zé)人）： 沙尼亞 第一執(zhí)筆人： 沙尼亞 小組成員：馬宏軍、巴勒根、葉斯哈提、古麗哈森指導(dǎo)教師： 施 堅(jiān)、朱習(xí)勇、武海平 自制“新一代平拋豎落儀”研究性學(xué)習(xí)課題結(jié)題報(bào)告摘要：高中物理人教版必修2教材第10頁中有一個(gè)“做一做”，本課題小組自制教具“新一代平拋豎落儀”并結(jié)合視頻幀播放發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)書本提供的方案有缺陷，并加以了改進(jìn)，取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果。也讓本課題成員對完成一次實(shí)驗(yàn)類研究性學(xué)習(xí)需要經(jīng)過的步驟、研究的方法、相互

2、的合作等等都有了更為深入的認(rèn)識。關(guān)鍵詞：平拋運(yùn)動 自制教具 幀播放 執(zhí)筆：沙尼亞（鞏留縣高級中學(xué)高二2班）指導(dǎo)教師：施堅(jiān)、朱習(xí)勇、武海平一、 研究的緣由、目的和意義老師在演示平拋運(yùn)動的豎直方向是自由落體運(yùn)動實(shí)驗(yàn)時(shí)，用的是如圖1所示的平拋豎落儀，這個(gè)演示過程轉(zhuǎn)瞬即逝，而判斷同時(shí)落地的依據(jù)是“用耳朵聽是不是只有一個(gè)聲音”。事實(shí)上可能第一個(gè)小球和第二個(gè)小球并不同時(shí)落地，而是有一定先后，后一個(gè)聲音蓋住或正好連著第一個(gè)聲音，只是我們的耳朵沒這么靈敏而無法感覺出來，而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)兩小球運(yùn)動不在同一平面無法拍了照片或視頻后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可見這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)還是有不少缺陷。而人教版必修2教材上第10頁的“做一做”并

3、沒有現(xiàn)成的器材，同時(shí)其中也有“用耳朵“聽”來判斷兩球落地的先后”一段話。那么，能不能自制“新一代平拋豎落儀”結(jié)合數(shù)碼相機(jī)拍攝頻閃照片或視頻來驗(yàn)證平拋運(yùn)動的豎直方向是自由落體運(yùn)動？并真正的實(shí)現(xiàn)教材上的“做一做”。研究性學(xué)習(xí)小組確定通過查詢資料，擬訂自制教具方案并不斷調(diào)整和完善，自制平拋豎落儀并結(jié)合數(shù)碼相機(jī)幀播放來對平拋運(yùn)動在豎直方向上的運(yùn)動加以分析，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無法達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果，以真正實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的可視化，并體會其中的方案提出到成果實(shí)驗(yàn)過程的各種程序，體驗(yàn)小組合作和自制教具的整個(gè)過程，而且這個(gè)教具是全國首創(chuàng)。 二、 研究內(nèi)容1.自制“新一代平拋豎落儀”2. 利用“新一代平拋豎落儀”完成實(shí)驗(yàn)并

4、結(jié)合數(shù)碼相機(jī)驗(yàn)證平拋運(yùn)動的豎直方向是自由落體運(yùn)動三、 研究方法：1知網(wǎng)文獻(xiàn)查詢法（1）主要查詢數(shù)碼相機(jī)在研究平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的文獻(xiàn)；（2）自制教具的制作如何開展和相關(guān)程序、注意點(diǎn)；2.行動研究法主要是在自制教具過程中不斷調(diào)整和改進(jìn)研究的思路并加以實(shí)施。四、研究時(shí)間：本課題組的研究時(shí)間一般都安排在節(jié)假日、暑假、研究性學(xué)習(xí)時(shí)間。五、研究小故事：2014年5月一天，我們研究性學(xué)習(xí)小組的自制“新一代平拋豎落儀”實(shí)驗(yàn)遲遲沒有進(jìn)展，已做過多處改進(jìn)和探索，但A球的斜上拋運(yùn)動并沒有得到根本的改善。 小組成員都很失落，其中成員巴勒根、古麗哈森兩位同學(xué)提出肯定是我們的實(shí)驗(yàn)思路有問題，或者找的材料不好。而成員馬宏

5、軍、成員葉斯哈提提出失敗的原因可能是這個(gè)實(shí)驗(yàn)教材設(shè)計(jì)思路本身就有題，只是我們普通學(xué)生是不可能發(fā)現(xiàn)而已，但知網(wǎng)上未收到這個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，比較遺憾。“我們還是放棄吧”，多位成員都這樣說，實(shí)驗(yàn)一下子陷入了停滯。組長沙尼亞面對成員的議論顯得很無奈，在成員從實(shí)驗(yàn)室走了以后，沙尼亞也默默地回家了。之后有一天，沙尼亞在家里吃完晚飯后擦桌子時(shí)不小心碰到了一個(gè)蜂蜜盒蓋，一下子蓋子飛了出去。沙尼亞眼角留意到了這一過程，突然她意識到“這不正是平拋運(yùn)動嗎？”，也是在打擊下平拋出去。沙尼亞接著又把盒蓋從桌子上打擊了幾次，“那么自制平拋豎落儀能不能也設(shè)置一個(gè)平臺來取代直角槽”？組長沙尼亞第二天喊上全體成員又投入到了實(shí)驗(yàn)創(chuàng)作

6、六、研究方案：（1）實(shí)驗(yàn)研討階段：小組確定自制必修2第10頁“做一做”教具，并確定了應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)來研究該實(shí)驗(yàn)，同時(shí)研討了該自制教具的可行性以及需要的相關(guān)器材和工具，可能需要的幫助等等。（2）查詢資料階段：全體組員在老師的協(xié)助下到學(xué)校電子閱覽室查詢知網(wǎng)期刊庫有關(guān)必修2第10頁“做一做”相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)無相關(guān)文獻(xiàn)，這說明小組的研究是原創(chuàng)研究。而文獻(xiàn)中有關(guān)數(shù)碼相機(jī)研究平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)的期刊論文幾乎都集中在頻閃照片法，但這需要暗室的環(huán)境，無法再普通教室里實(shí)現(xiàn)，并需要購買頻閃光源，可行性比較差。所以小組的研究思路是在老師幫助下確定為使用數(shù)碼相機(jī)拍攝視頻后幀播放研究，并把相關(guān)數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用技巧打印出來供大家

7、參考。（3）準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)階段：Canon 100D一部、三腳架一臺、大木板一塊、深色亞光紙、雙面膠、電焊一把、沙皮一張、扇葉一片、榔頭一把、三把60cm長的鋼尺、兩個(gè)等大的銀色鋼球、鋸子、鉗子、電鉆、砂輪機(jī)、自攻螺絲、90°直角平臺、固定螺栓等（有些器材是在實(shí)驗(yàn)過程不斷更新和準(zhǔn)備的）。（4）具體自制教具和實(shí)驗(yàn)研究過程：在人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修2教材第10頁中有一個(gè)“做一做”如圖1所示：如圖2，用小錘打擊彈性金屬片后，A球沿水平方向拋出，同時(shí)B球被松開，自由下落，A、B兩球同時(shí)開始運(yùn)動。觀察兩球哪個(gè)先落地。改變小球距地面的高度和打擊力度，重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明了什么問

8、題？實(shí)驗(yàn)時(shí)也可以用耳朵“聽”來判斷兩球落地的先后。小組進(jìn)過研討，確定了需要做一套與“做一做”幾乎完全一致的自制教具：首先在一大塊原本白色的木板上用雙面膠粘上深色亞光紙，目的是更好地觀看銀色的下落和平拋，然后把兩把鋼尺都截成兩段或三段，其中取其中兩段鋼尺帶圓孔凹槽的一端都折成“” 形直角槽，槽的折痕處在老師的幫助下用502膠水粘合，另一端用電鉆開三個(gè)合適大小的小圓孔，并把其中一段“” 形直角槽鋼尺自攻螺絲固定在木板上，如圖3中左邊水平安裝的鋼尺。而剩下的還有一段帶有圓孔凹槽的鋼尺的另一端也用電鉆開三個(gè)合適大小的小圓孔，該段鋼尺與另一段“” 形直角槽鋼尺502膠水粘合在一起，然后用固定螺栓固定在一

9、片扇葉上，而扇葉再固定在木板上。這里要注意的是，扇葉安裝時(shí)要圖3中兩把鋼尺的圓孔凹槽正對著并保持在同一水平線上，而且距離要合適，以便把銀色鋼球B放入剛好能夾緊而不下落，但豎直鋼尺受到錘子打擊時(shí)剛好做自由落體運(yùn)動，而A球被下方圓孔凹槽拖住且靠緊豎直鋼尺而保持水平平衡（這也是與教材實(shí)驗(yàn)一個(gè)小小的改動），這樣，按照教材“做一做”的思想方法，豎直鋼尺受到錘子打擊后A球應(yīng)該會做平拋運(yùn)動。到此，小組都信心滿滿地開始實(shí)驗(yàn)，并用三腳架架好Canon 100D相機(jī)拍攝，錘子快速敲擊豎直鋼尺的中下端，兩球都開始運(yùn)動，一切顯得都很順利，也正如教材上描述地那樣用肉眼的確看到兩個(gè)小球同時(shí)落地，用耳朵“聽”更是聽到了同一

10、個(gè)的撞擊地面的響聲。但是，當(dāng)改變小球距地面的高度（讓整個(gè)裝置更高）和打擊力度（捶打力度更大）時(shí)，似乎隱約可以用肉眼發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動的小球先落地，而撞擊地面的聲音仍是同一個(gè)，大家也隱約感覺到教材的做一做有問題。于是，馬上把拍攝的視頻利用Canon 100D自帶的幀播放功能，也可以把視頻導(dǎo)入電腦用暴風(fēng)影音、KMPlayer等軟件進(jìn)行一幀一幀播放（比如，暴風(fēng)影音、KMPlayer等軟件都可進(jìn)行一幀一幀播放，即播放視頻文件后，到需要幀播放的位置暫停播放，暴風(fēng)影音按Ctrl+，KMPlayer按F鍵可以一幀一幀往后播放），大家驚訝地發(fā)現(xiàn)兩球的確同時(shí)開始運(yùn)動，但在B球做自由落體運(yùn)動的同時(shí)，A球并非做平拋運(yùn)

11、動，而是做斜上拋運(yùn)動，如圖3所示，那么這是不是偶然情況呢，小組有做了幾次同樣的實(shí)驗(yàn)，但只要用這套裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所有的視頻都是如此，而由于斜上拋不是很厲害，肉眼判斷落地是否同時(shí)，和用耳朵聽響聲來判斷非常難。那么，是什么原因讓小球A做斜上拋呢？是不是最右端那根鋼尺的“” 形直角槽底部開設(shè)的凹槽會對A球做平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)有影響呢？小組首先想到了更換焊接了一塊底部平整直角槽，并在豎直桿壁上安裝了兩個(gè)微微有一定夾力的簧片，只要既可起到固定小球的作用，又不影響小球受到敲擊后拋出。但實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，A球斜上拋運(yùn)動絲毫沒有改善。小組組長沙尼亞提出：由于豎直部分“” 形直角槽是用雙層鋼尺粘合做成導(dǎo)致硬度很大，所以稍受

12、打擊就使得“” 形直角槽向右上方傾斜，隨即A球斜上方拋出。于是小組做了當(dāng)時(shí)認(rèn)為頗為關(guān)鍵的改進(jìn)：把“” 形直角槽微微向左上方傾斜，為了控制受到打擊后不要突破豎直方向“” 形，在特定位置用固定于木板上的鋼條設(shè)置了一個(gè)擋位片，如圖5所示，那么在理論上豎直鋼尺受到錘子打擊后和小球一起向右瞬間加速，而當(dāng)一瞬間直角槽被擋位器擋住后，A球正好做平拋運(yùn)動。到此，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)已經(jīng)對教材“做一做”做了更為具體的考慮，但在相機(jī)幀播放后發(fā)現(xiàn)，A球的斜上拋基本沒有得到根本的改善，如圖4所示。難道教材上的“做一做”是一個(gè)假想的理想實(shí)驗(yàn)？還是斜上拋運(yùn)動有更深層次的原因？小組成員受到很大的打擊，一籌莫展，甚至有成員想打退堂鼓。

13、這個(gè)實(shí)驗(yàn)一下子耽擱了幾個(gè)星期。在這期間，組長沙尼亞和其他成員仍不忘來重新做下實(shí)驗(yàn)來看看會不會突然間就成功了，但都失望而歸。但有一次，小組成員巴勒根在玩鋼尺時(shí)鋼尺的晃動給了大家啟發(fā)，因?yàn)檫@個(gè)晃動也同樣會出現(xiàn)在錘子敲擊豎直鋼尺時(shí)，也就是說教材 “做一做”導(dǎo)致A球“斜上拋運(yùn)動”的確有其必然性和病理所在，“” 形直角槽須具有剛性，以便瞬間把力傳導(dǎo)到A球上，但剛性“” 形直角槽會伴有一定的扭擺作用從而導(dǎo)致A球不可避免地做斜上拋運(yùn)動。那么如何改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？是不是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的不可能做成，或者說一時(shí)找不到合適的材料。突然有一天，小組組長沙尼亞，她受到水平桌面上的小球受到水平打擊飛出桌面一定是平拋運(yùn)動的啟發(fā)，那

14、么是否可以剛性“” 形直角槽改裝成“”，相當(dāng)于小球放置于一個(gè)水平平臺上，而且這個(gè)水平平臺可以通過新增加的槽口和螺栓來調(diào)節(jié)平臺的高度，如圖5所示。再次把A球、B球再次放置在改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置上，又是一次次錘擊、拍攝和幀播放，這一次，小組發(fā)現(xiàn)A球總是做平拋運(yùn)動，而B球同時(shí)做自由落體運(yùn)動，如圖6是擊打瞬間。用了看的更為清晰和便于分析，在老師的幫助下，小組使用KMPlayer軟件幀播放Canon 100D拍攝的視頻時(shí)進(jìn)行截屏，然后在用PhotoShop進(jìn)行了圖片合成，形成了類頻閃照片，如圖7所示，可見A球和B球時(shí)時(shí)刻刻都在同一高度，換不同的高度或不同質(zhì)量的小球來完成該實(shí)驗(yàn)仍是這樣的結(jié)果，這說明教材上這一個(gè)

15、“做一做”的確需要加以修正，關(guān)鍵是水平平臺不可或缺，換言之，教材上的這個(gè)“做一做”是一個(gè)“想當(dāng)然”的假性理想實(shí)驗(yàn)。到此，小組每一位成員都無比歡欣鼓舞，因?yàn)檫@是大家通過創(chuàng)新和實(shí)踐出來的原創(chuàng)性成果，雖然付出了很多辛苦，但成功的喜悅無比甜蜜。后來，小組還通過不同質(zhì)量的兩小球或不同高度來驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)，均取得了成功。事實(shí)上，小組在數(shù)碼相機(jī)的使用過程中也遇到過困難，因?yàn)橐婚_始實(shí)驗(yàn)時(shí)拍出來的視頻在幀播放總是有非常明顯的拖尾現(xiàn)象，如圖3、4、6，當(dāng)然這樣的拖尾很容易看出小球是做斜上拋運(yùn)動還是平拋運(yùn)動，但也給小球具體到達(dá)的位置的判定帶來了困難。后來，小組通過上網(wǎng)查詢知道了其中相機(jī)的快門速度、光圈值、感光度的設(shè)置都

16、是有技巧的，也就是說想使視頻幀播放不出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，正如圖7那樣，那就需要設(shè)置快門速度為1/1000s或1/500，光圈值F5.6，ISO感光度1600或3200，這樣雖然視頻可能稍微有點(diǎn)暗，但幀播放時(shí)小球的運(yùn)動軌跡非常清晰，沒有拖尾現(xiàn)象。（5）研究評價(jià)：本實(shí)驗(yàn)本想實(shí)踐和證明了必修2教材上第10頁“做一做”，但通過自制教具的研究過程不僅發(fā)現(xiàn)了教材實(shí)驗(yàn)的缺陷，并在研討的基礎(chǔ)上改進(jìn)和完善了教材“做一做”，成功實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了平拋運(yùn)動在豎直方向?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動，與高度無關(guān)、與小球的質(zhì)量無關(guān)，當(dāng)然這個(gè)實(shí)驗(yàn)還不能證明平拋運(yùn)動在水平方向?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動。而本實(shí)驗(yàn)我們利用了數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)軟件的幀播放，以及錄屏軟件的錄制功能讓我們深刻地體會了一次高科技帶給我們的震撼。小組還認(rèn)為，在板上適當(dāng)?shù)奈恢觅N上坐標(biāo)紙或者刻度尺的讀數(shù)作為背景，這樣可以讓大家從實(shí)際視頻出發(fā)求解平拋小球的初速度，這樣就顯得這套自制教具就更具有非常好實(shí)際應(yīng)用價(jià)值了。七、研究體會：通過此次研究性學(xué)習(xí)，不僅發(fā)現(xiàn)了教材“做一做”設(shè)計(jì)的不足，讓我們意識到學(xué)習(xí)知識不能迷信于書本、迷信于權(quán)威，而要敢于質(zhì)疑，尤其是物理的學(xué)習(xí)，要敢于去嘗試實(shí)驗(yàn)。而自制教具的過程更是一次非常難得的自我思