“用冲击摆测弹丸的速度”实验专题研究的尝试

1、“用冲击摆测弹丸的速度”实验专题研究的尝试湖北省襄樊市襄阳区三中 高明学邮政编码 441123 电话往的人教版高中物理教材的一个选做实验 “用冲击摆测弹丸的速度” ， 如果找一个合适的切入点， 作为实验专题贯穿到物理实验教学中去， 对发展学生的自学能力，提高学生的实验素养和科学探究的质量，大有益处，同时也利用了实验室已有的、多年闲置的器材，进一步开发实验室丰富的课程资源。一、实验专题的引入机械能守恒定律和动量守恒定律都是教材的重点，教材也分别安排了“验证机械能守恒定律”和“验证动量守恒定律”两个实验。当第二个实验做完后，如何用一个桥梁，把两个知识模块链接起来，并加以拓

2、宽拓深呢？“用冲击摆测弹丸的速度”实验就是其中的一个桥梁，它综合运用了上面两个定律，对培养学生分析物理过程，综合运用知识解决实际问题的能力很有好处。但是，此实验不在高考的范围内， 有无必要进行这样的实验专题研究呢？普通高中 物理课程标准给出了明确的答案： “可以指导对物理实验有兴趣的同学在校本课程中， 选修具有更高要求的物理实验专题” 。 如何引入这一实验专题研究呢？普通高中 物理课程标准 指明了方向： “高中阶段， 教师有必要对一些探究的物理问题创设一些情景，让学生在观察和体验后有所发现，有所联想，萌发出科学问题；或者创设一些任务，让学生在完成任务中运用科学思维，自己提炼出应探究的科学问题”

3、 。因此，笔者在学生做完 “验证动量守恒定律” 实验后， 有意识地布置了下面一道作业题：一颗 20g 的子弹以 150m/s 的速度沿水平方向射进一块用长绳悬在空中的1kg 的木块，计算： （ 1 ）子弹的初动能；（ 2 ）子弹嵌入木块后，木块和子弹的动能； （ 3 ）子弹的动能损失多少； （4）木块能上升的最大高度。当学生的作业做的差不多时， 笔者适时予以启发： “本题中若测出子弹和木块上升的最大高度，能否测出子弹从枪口射出的速度？”学生做了肯定的回答。一学生问： “解放军的步枪，子弹从枪口射出的速度 ，能否也用这种方法测出（学生军训时进行过实弹射击）？”学生议论纷纷，有的说能，有的说不能。

4、笔者心中暗暗一喜，这就是切入点，告诉他们： “子弹从步枪枪口射出的速度怎样测，是一个比较复杂的问题，要用到一些现代化精密的仪器，你们是办不到的。不过，学校实验室有一种仪器，叫冲击摆实验器 ， 上面有一个弹簧枪，从枪口射出的弹丸射进一个摆锤里，可以测出弹丸的射击速度。可以将它作为一个实验专题，希望对此有兴趣的同学参加” 。 部分学生跃跃欲试： “老师， 啥时候做这个实验？”笔者不失时机地强调说： “做好这个实验的难度较大， 要进行充分的准备。 既然是一个实验专题，就不同于以往的学生实验，老师只提供实验仪器和仪器的使用说明书，而实验目的，实验原理，仪器的介绍，实验的做法和注意事项，由你们自己寻找查

5、阅以往的高中物理教材，和与其配套的教参。等你们准备好了，再做这个实验” 。“冲击摆实验器”是一种较难调节和操作的仪器，上述安排，一方面是为了让学生学会阅读并能读懂仪器使用说明书，按说明书正确使用实验仪器，另一方面使学生学会查阅文献资料，丰富课程资源，培养学生收集信息，自主学习的能力，体验科学探究的艰难与曲折。二、实验专题研究的准备笔者原以为让学生寻找收集以往的高中物理教材和教参是很难的，没想到他们竟然找到了，有高中物理乙种本，试验本和前几年的选修本，以及部 分配套的教参，并相互交换看看，取长补短。问其来源。有从学校图书馆借的， 有从退休物理教师处借的，还有从以前毕业的学兄学姐处借的这种做法培养

6、 了学生的人际交往能力。实验专题研究的准备，就是要学生熟悉仪器，了解仪器的构造，掌握仪器的 操作使用。笔者估计学生通过对教材，教参和仪器的使用说明书的查阅，弄懂其 中的实验目的，实验原理，实验操作和注意事项没有多大的问题，但对某些易混 淆的问题，仪器的调节和测量某些关键数据的细节，要作以必要的点拨，搞实验 专题研究毕竟是第一次。（一）笔者用讲台上已调好的弹簧枪进行试射，弹丸准确地射入摆锤并将指针 推到相应的角度，然后让学生分析回答：弹丸射入前到它与摆锤摆到最高点，可 以分为几个过程？整个过程机械能守恒吗？学生对实验过程分析后明确：弹丸射入摆锤的过程中，水平方向不受外力，动量 守恒，但弹丸克服摩

7、擦阻力做功，一部分动能转化为内能 ，机械能不守恒，这是实 验的第一个过程。当锤摆获得动能和弹丸一起摆向最大高度的过程中，只有重力 做功,机械能守恒而动量不守恒，这是实验的第二个过程，所以整个过程机械能不 守恒。通过以上分析，对公式 v=（M+m）/m 丫2gh的推导过程理解的更加深刻。（二）仪器使用前要做哪些调整？学生通过对弹簧枪的试射后明确，要使弹丸能准确无误地射入摆锤，必须使 弹簧枪处于水平状态，旋动底座螺丝，靠目测把底座调成水平，还要调节支架上 的四个螺丝，使悬挂摆锤的四根细线长度相等，摆锤的上表面与刻度盘上的虚线 平齐，前沿与刻度盘上角度零刻线对齐，摆锤的孔与枪口对齐，试射时摆锤不发生

8、扭动而平移地上摆、调节指针转轴上的螺丝的松紧程度，使指针能停留在任意角的位置，又不与刻度盘发生摩擦。（三）如何测出摆锤上升的最大高度?学生通过移动摆锤平移上摆推动指针偏转后明确：仪器用四根细线平行悬吊摆锤，弹丸射入摆锤后平移上摆而不发生转动，因此，摆锤和弹丸的质心上升的高度等于摆锤上表面上升的高度，量出摆线长 L和最大摆角9,即可求出摆锤上升的最大高度h=L（1-cos 9。（四）怎样记录摆锤推动指针偏转的最大偏角并减小偶然误差?学生通过用弹簧枪各档试射后明确： 弹簧枪有三档发射速度,实验时每档都通过试射初步找到指针的最大偏角，将指针预置到略小于最大偏角的位置，然后正式发射三次，取最大偏角的平

9、均值，减小实验的偶然误差，,摆锤上升的最大高度即可根据h=L（1-cos 算出。三、实验专题研究的实施与成效。学生在实验专题研究中理论联系实际，加上老师画龙点睛式的点拨，掌握了“冲击摆实验器”的使用操作，为实验专题研究的实施打下良好的基础,学生进行实验就胸有成竹，水到渠成。下面是其中的一组学生测出的实验数据（如表一所示）。M=80.4gm=7.5gL=27.7m表一：利用弹丸与摆锤碰撞测出弹丸的射出速度弹簧枪的 发射档位指针的最大偏角0(。弹丸的射出 速度v(m/s)测量值平均值第一档15.015.05.0315.514.5第二档17.017.25.7817.017.5第三档22.522.37

10、.4222.022.5弹簧枪的三档射出速度测出后，笔者及时提醒学生讨论思考：由于摆锤要克服阻力做功，则测出的弹丸速度比真实值偏大还是偏小 ？接着要学生由实验数据计算出弹丸与摆锤碰撞中损失的机械能，纠正了 “弹丸射入前和它与摆锤共同摆到最高 点整个过程中机械能守恒”这种错误的认识 .下面是其中一组学生计算的数据表 (如表二所小)表二:弹丸与摆锤碰撞过程中系统损失的机械能弹丸碰撞前 的速度v(m/s)弹丸碰撞前的动能Ek(J)碰撞后的共同速度v'(m/s)碰撞后的动能Ek'(J)系统损失的机械能？Ek(J)5.039.49 X10-20.4288.08 X10-38.68 X10-

11、25.781.25 X10-1 10.4931.07 X10-21.14 X10-1 17.422.06 X10-10.6331.76 X10-2.1.88 X10-1弹丸的射出速度测出并不意味着实验专题研究的结束，还能进一步拓宽拓深笔者告诉学生，按仪器的设计要求，弹簧枪的三档发射速度分别是5.40如.25m/s.6.60 i0.25m/s.7.70垃30m/s,因此同学们测出的弹丸的射出速度比真实值偏小,也在情理之中，这是仪器的系统误差.但是，由于弹簧枪制造工艺上的原因，实际上弹丸的出口速度不一定合乎设计的数值 ，则用学过的哪方面知识还能测出弹簧枪的发射速度呢？学生们想到前面学过的平抛运动，

12、用弹簧枪把弹丸射出作平抛运动,测出水平射程s和枪口距水平地面的高度 h.摆锤妨碍弹丸的发射，轻轻将其 取下.测量水平射程s要记录弹丸的落地点，弹丸落地后在实验室的水泥地面滚得很远，学生从刚做过的“验证动量守恒定律”实验得到启发，在弹丸的落地点依次铺 上薄木板、白纸和复写纸，较准确地将弹丸的落地点记录下来.下面是其中的一组学 生测出的实验数据(如表三所示)表三利用弹丸做平抛运动测弹丸的射出速度弹簧枪的 发射档位水平射程s(m)枪口距水平地面 的高度h(m)弹丸的飞行 时间t(s)弹丸的射出 速度v(m/s)测量值平均值第一档2.112.100.8770.4234.962.082.10第二档2.682.730.8770.4236.562.732.77第三档3.303.310.8770.4237.833.323.31“用冲击摆测弹丸的速度”这一实验专题的研究，把机械能守恒定律和动量守恒定律这两大知识模块链接起来，并在此基础上拓宽拓深，延伸到平抛运动测弹丸 的速度，让学生学会用多种方法进行实验和收集实验数据的方法，培养了学生的发 散思维能力，同时也是指导学有余力.对物理实验有浓厚兴趣的学生在校本课程中 选修具有更高要求的物理实验专题的大胆尝试，是教师利用实