普通高中学生研究性学习成果评奖

1、普通高中学生研究性学习成果评奖申报报告课题名称： 自制“新一代平抛竖落仪” 研究起止时间：2014年3月7月所在地州学校： 伊犁州巩留县高级中学 所在班级： 高二（2） 课题组长（负责人）： 沙尼亚 第一执笔人： 沙尼亚 小组成员：马宏军、巴勒根、叶斯哈提、古丽哈森指导教师： 施 坚、朱习勇、武海平 自制“新一代平抛竖落仪”研究性学习课题结题报告摘要：高中物理人教版必修2教材第10页中有一个“做一做”，本课题小组自制教具“新一代平抛竖落仪”并结合视频帧播放发现该实验书本提供的方案有缺陷，并加以了改进，取得了很好的实验效果。也让本课题成员对完成一次实验类研究性学习需要经过的步骤、研究的方法、相互

2、的合作等等都有了更为深入的认识。关键词：平抛运动 自制教具 帧播放 执笔：沙尼亚（巩留县高级中学高二2班）指导教师：施坚、朱习勇、武海平一、 研究的缘由、目的和意义老师在演示平抛运动的竖直方向是自由落体运动实验时，用的是如图1所示的平抛竖落仪，这个演示过程转瞬即逝，而判断同时落地的依据是“用耳朵听是不是只有一个声音”。事实上可能第一个小球和第二个小球并不同时落地，而是有一定先后，后一个声音盖住或正好连着第一个声音，只是我们的耳朵没这么灵敏而无法感觉出来，而且这个实验两小球运动不在同一平面无法拍了照片或视频后进行数据分析，可见这个演示实验还是有不少缺陷。而人教版必修2教材上第10页的“做一做”并

3、没有现成的器材，同时其中也有“用耳朵“听”来判断两球落地的先后”一段话。那么，能不能自制“新一代平抛竖落仪”结合数码相机拍摄频闪照片或视频来验证平抛运动的竖直方向是自由落体运动？并真正的实现教材上的“做一做”。研究性学习小组确定通过查询资料，拟订自制教具方案并不断调整和完善，自制平抛竖落仪并结合数码相机帧播放来对平抛运动在竖直方向上的运动加以分析，突破传统实验器材无法达到的实验效果，以真正实现该实验的可视化，并体会其中的方案提出到成果实验过程的各种程序，体验小组合作和自制教具的整个过程，而且这个教具是全国首创。 二、 研究内容1.自制“新一代平抛竖落仪”2. 利用“新一代平抛竖落仪”完成实验并

4、结合数码相机验证平抛运动的竖直方向是自由落体运动三、 研究方法：1知网文献查询法（1）主要查询数码相机在研究平抛运动实验中应用的文献；（2）自制教具的制作如何开展和相关程序、注意点；2.行动研究法主要是在自制教具过程中不断调整和改进研究的思路并加以实施。四、研究时间：本课题组的研究时间一般都安排在节假日、暑假、研究性学习时间。五、研究小故事：2014年5月一天，我们研究性学习小组的自制“新一代平抛竖落仪”实验迟迟没有进展，已做过多处改进和探索，但A球的斜上抛运动并没有得到根本的改善。 小组成员都很失落，其中成员巴勒根、古丽哈森两位同学提出肯定是我们的实验思路有问题，或者找的材料不好。而成员马宏

5、军、成员叶斯哈提提出失败的原因可能是这个实验教材设计思路本身就有题，只是我们普通学生是不可能发现而已，但知网上未收到这个实验的改进，比较遗憾。“我们还是放弃吧”，多位成员都这样说，实验一下子陷入了停滞。组长沙尼亚面对成员的议论显得很无奈，在成员从实验室走了以后，沙尼亚也默默地回家了。之后有一天，沙尼亚在家里吃完晚饭后擦桌子时不小心碰到了一个蜂蜜盒盖，一下子盖子飞了出去。沙尼亚眼角留意到了这一过程，突然她意识到“这不正是平抛运动吗？”，也是在打击下平抛出去。沙尼亚接着又把盒盖从桌子上打击了几次，“那么自制平抛竖落仪能不能也设置一个平台来取代直角槽”？组长沙尼亚第二天喊上全体成员又投入到了实验创作

6、六、研究方案：（1）实验研讨阶段：小组确定自制必修2第10页“做一做”教具，并确定了应用数码相机来研究该实验，同时研讨了该自制教具的可行性以及需要的相关器材和工具，可能需要的帮助等等。（2）查询资料阶段：全体组员在老师的协助下到学校电子阅览室查询知网期刊库有关必修2第10页“做一做”相关实验研究，发现无相关文献，这说明小组的研究是原创研究。而文献中有关数码相机研究平抛运动实验的期刊论文几乎都集中在频闪照片法，但这需要暗室的环境，无法再普通教室里实现，并需要购买频闪光源，可行性比较差。所以小组的研究思路是在老师帮助下确定为使用数码相机拍摄视频后帧播放研究，并把相关数码相机的应用技巧打印出来供大家

7、参考。（3）准备实验阶段：Canon 100D一部、三脚架一台、大木板一块、深色亚光纸、双面胶、电焊一把、沙皮一张、扇叶一片、榔头一把、三把60cm长的钢尺、两个等大的银色钢球、锯子、钳子、电钻、砂轮机、自攻螺丝、90°直角平台、固定螺栓等（有些器材是在实验过程不断更新和准备的）。（4）具体自制教具和实验研究过程：在人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修2教材第10页中有一个“做一做”如图1所示：如图2，用小锤打击弹性金属片后，A球沿水平方向抛出，同时B球被松开，自由下落，A、B两球同时开始运动。观察两球哪个先落地。改变小球距地面的高度和打击力度，重复这个实验。实验现象说明了什么问

8、题？实验时也可以用耳朵“听”来判断两球落地的先后。小组进过研讨，确定了需要做一套与“做一做”几乎完全一致的自制教具：首先在一大块原本白色的木板上用双面胶粘上深色亚光纸，目的是更好地观看银色的下落和平抛，然后把两把钢尺都截成两段或三段，其中取其中两段钢尺带圆孔凹槽的一端都折成“” 形直角槽，槽的折痕处在老师的帮助下用502胶水粘合，另一端用电钻开三个合适大小的小圆孔，并把其中一段“” 形直角槽钢尺自攻螺丝固定在木板上，如图3中左边水平安装的钢尺。而剩下的还有一段带有圆孔凹槽的钢尺的另一端也用电钻开三个合适大小的小圆孔，该段钢尺与另一段“” 形直角槽钢尺502胶水粘合在一起，然后用固定螺栓固定在一

9、片扇叶上，而扇叶再固定在木板上。这里要注意的是，扇叶安装时要图3中两把钢尺的圆孔凹槽正对着并保持在同一水平线上，而且距离要合适，以便把银色钢球B放入刚好能夹紧而不下落，但竖直钢尺受到锤子打击时刚好做自由落体运动，而A球被下方圆孔凹槽拖住且靠紧竖直钢尺而保持水平平衡（这也是与教材实验一个小小的改动），这样，按照教材“做一做”的思想方法，竖直钢尺受到锤子打击后A球应该会做平抛运动。到此，小组都信心满满地开始实验，并用三脚架架好Canon 100D相机拍摄，锤子快速敲击竖直钢尺的中下端，两球都开始运动，一切显得都很顺利，也正如教材上描述地那样用肉眼的确看到两个小球同时落地，用耳朵“听”更是听到了同一

10、个的撞击地面的响声。但是，当改变小球距地面的高度（让整个装置更高）和打击力度（捶打力度更大）时，似乎隐约可以用肉眼发现自由落体运动的小球先落地，而撞击地面的声音仍是同一个，大家也隐约感觉到教材的做一做有问题。于是，马上把拍摄的视频利用Canon 100D自带的帧播放功能，也可以把视频导入电脑用暴风影音、KMPlayer等软件进行一帧一帧播放（比如，暴风影音、KMPlayer等软件都可进行一帧一帧播放，即播放视频文件后，到需要帧播放的位置暂停播放，暴风影音按Ctrl+，KMPlayer按F键可以一帧一帧往后播放），大家惊讶地发现两球的确同时开始运动，但在B球做自由落体运动的同时，A球并非做平抛运

11、动，而是做斜上抛运动，如图3所示，那么这是不是偶然情况呢，小组有做了几次同样的实验，但只要用这套装置进行实验，所有的视频都是如此，而由于斜上抛不是很厉害，肉眼判断落地是否同时，和用耳朵听响声来判断非常难。那么，是什么原因让小球A做斜上抛呢？是不是最右端那根钢尺的“” 形直角槽底部开设的凹槽会对A球做平抛运动的实验有影响呢？小组首先想到了更换焊接了一块底部平整直角槽，并在竖直杆壁上安装了两个微微有一定夹力的簧片，只要既可起到固定小球的作用，又不影响小球受到敲击后抛出。但实验后发现，A球斜上抛运动丝毫没有改善。小组组长沙尼亚提出：由于竖直部分“” 形直角槽是用双层钢尺粘合做成导致硬度很大，所以稍受

12、打击就使得“” 形直角槽向右上方倾斜，随即A球斜上方抛出。于是小组做了当时认为颇为关键的改进：把“” 形直角槽微微向左上方倾斜，为了控制受到打击后不要突破竖直方向“” 形，在特定位置用固定于木板上的钢条设置了一个挡位片，如图5所示，那么在理论上竖直钢尺受到锤子打击后和小球一起向右瞬间加速，而当一瞬间直角槽被挡位器挡住后，A球正好做平抛运动。到此，实验的设计已经对教材“做一做”做了更为具体的考虑，但在相机帧播放后发现，A球的斜上抛基本没有得到根本的改善，如图4所示。难道教材上的“做一做”是一个假想的理想实验？还是斜上抛运动有更深层次的原因？小组成员受到很大的打击，一筹莫展，甚至有成员想打退堂鼓。

13、这个实验一下子耽搁了几个星期。在这期间，组长沙尼亚和其他成员仍不忘来重新做下实验来看看会不会突然间就成功了，但都失望而归。但有一次，小组成员巴勒根在玩钢尺时钢尺的晃动给了大家启发，因为这个晃动也同样会出现在锤子敲击竖直钢尺时，也就是说教材 “做一做”导致A球“斜上抛运动”的确有其必然性和病理所在，“” 形直角槽须具有刚性，以便瞬间把力传导到A球上，但刚性“” 形直角槽会伴有一定的扭摆作用从而导致A球不可避免地做斜上抛运动。那么如何改进这个实验呢？是不是这个实验的不可能做成，或者说一时找不到合适的材料。突然有一天，小组组长沙尼亚，她受到水平桌面上的小球受到水平打击飞出桌面一定是平抛运动的启发，那

14、么是否可以刚性“” 形直角槽改装成“”，相当于小球放置于一个水平平台上，而且这个水平平台可以通过新增加的槽口和螺栓来调节平台的高度，如图5所示。再次把A球、B球再次放置在改进后实验装置上，又是一次次锤击、拍摄和帧播放，这一次，小组发现A球总是做平抛运动，而B球同时做自由落体运动，如图6是击打瞬间。用了看的更为清晰和便于分析，在老师的帮助下，小组使用KMPlayer软件帧播放Canon 100D拍摄的视频时进行截屏，然后在用PhotoShop进行了图片合成，形成了类频闪照片，如图7所示，可见A球和B球时时刻刻都在同一高度，换不同的高度或不同质量的小球来完成该实验仍是这样的结果，这说明教材上这一个

15、“做一做”的确需要加以修正，关键是水平平台不可或缺，换言之，教材上的这个“做一做”是一个“想当然”的假性理想实验。到此，小组每一位成员都无比欢欣鼓舞，因为这是大家通过创新和实践出来的原创性成果，虽然付出了很多辛苦，但成功的喜悦无比甜蜜。后来，小组还通过不同质量的两小球或不同高度来验证本实验，均取得了成功。事实上，小组在数码相机的使用过程中也遇到过困难，因为一开始实验时拍出来的视频在帧播放总是有非常明显的拖尾现象，如图3、4、6，当然这样的拖尾很容易看出小球是做斜上抛运动还是平抛运动，但也给小球具体到达的位置的判定带来了困难。后来，小组通过上网查询知道了其中相机的快门速度、光圈值、感光度的设置都

16、是有技巧的，也就是说想使视频帧播放不出现拖尾现象，正如图7那样，那就需要设置快门速度为1/1000s或1/500，光圈值F5.6，ISO感光度1600或3200，这样虽然视频可能稍微有点暗，但帧播放时小球的运动轨迹非常清晰，没有拖尾现象。（5）研究评价：本实验本想实践和证明了必修2教材上第10页“做一做”，但通过自制教具的研究过程不仅发现了教材实验的缺陷，并在研讨的基础上改进和完善了教材“做一做”，成功实现并验证了平抛运动在竖直方向为自由落体运动，与高度无关、与小球的质量无关，当然这个实验还不能证明平抛运动在水平方向为匀速直线运动。而本实验我们利用了数码相机和计算机软件的帧播放，以及录屏软件的录制功能让我们深刻地体会了一次高科技带给我们的震撼。小组还认为，在板上适当的位置贴上坐标纸或者刻度尺的读数作为背景，这样可以让大家从实际视频出发求解平抛小球的初速度，这样就显得这套自制教具就更具有非常好实际应用价值了。七、研究体会：通过此次研究性学习，不仅发现了教材“做一做”设计的不足，让我们意识到学习知识不能迷信于书本、迷信于权威，而要敢于质疑，尤其是物理的学习，要敢于去尝试实验。而自制教具的过程更是一次非常难得的自我思