物理趣味实验及弹力球运动问题文档格式.docx
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物理是一门以实验为基础的自然科学，物理教学对于人才的培养、科技的发展都具有深远的影响。
作为一门基础学科，物理学的进步将直接推动科学技术的发展。
物理是一门鼓励创新的科学，任何物理学上的重大发现、进步都是通过众多物理学家的不断的探索、从一次又一次的失败吸取经验教训总结创新出来的。
牛顿爵士是一位英格兰物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家。
他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。
这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。
爱因斯坦——举世闻名德裔美国科学家，为犹太人，现代物理学的开创者和奠基人，相对论、‘质能关系’的提出者，“决定论量子力学诠释”的捍卫者（振动的粒子）——不掷骰子的上帝。
1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代》周刊评选为“世纪伟人”。
牛顿、爱因斯坦的成功并不是偶然，他们都具有一种不惧权威、勇于创新的精神，所以牛顿才能在伽利略、开普勒的研究的基础上加以总结、创新并建立牛顿经典力学体系;
爱因斯坦才能创立相对论并且经受住了时间和历史的严峻考验。
实验教学在整个物理教学中起到的作用是巨大的，不但锻炼学生的动手能力、实践能力、思考能力，而且激发了兴趣、培养了学生的探索精神、创新精神。
0.2研究意义
（1）物理趣味实验对于物理的意义
物理学（英语：
Physics）是一门研究物质最基本的结构、最普遍的相互作用以及最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学，它的基本理论能够运用到各种领域，发挥重要作用。
物理学在本质上是一门实验学科，物理规律的发现和物理理论的建立都必须以物理实验为基础，物理学中的每一项突破都与实验密切相关。
物理概念的确立，物理规律的发现，物理定律、定理的确立都有赖于物理实验，而物理创新性实验则更能体现实验对于物理这门学科的重要性，正是由于这些奇思妙想才能突破旧的思维定势，旧的常规戒律，改进或者创造新的事物。
（2）物理趣味实验对于学生的意义
通过物理实验我们对于物理会有更加深刻的认知和理解，尤其是创新性试验更能够拓宽思维，激发学生学习兴趣。
通过对物理实验的熟悉，可以帮助我们掌握基本的物理实验思路和实验器材的操作，进一步稳固了对相关的定理的理解，锻炼理性思维的能力。
在提高我们学习物理物理兴趣的同时，培养我们的科学思维和创新意识，掌握实验研究的基本方法，提高基本科学实验能力。
它也是我们进入大学接触的第一门实践性教学环节，是我们进行系统的科学实验方法和技能训练的重要必修课。
它还能培养我们“实事的科学态度、良好的实验习惯、严谨踏实的工作作风、主动研究的创新与探索精神、爱护公物的优良品德”。
0.3研究方法
本着理论联系实际的思想，本论文主要通过查阅文献资料与实践探索相结合的方法来学习物理创新性实验的概念及其运用。
首先是对创新性实验概念的表述，从理论的角度来了解创新性实验；
接着罗列出创新性实验的研究步骤：
1.提出问题2.确立方案3.实施实验4.实验数据处理5.实验结果分析6.实验误差分析；
最后谈谈创新性实验的作用以及存在的问题。
1趣味实验概念表述
趣味实验在实验容上，体现时代性；
在教学目标上，注重提高学生的实验素养，增强学生的创新意识，发展学生的自主学习能力和独立研究能力。
在教学中充分发挥传统仪器和实验方法作用的同时，克服保守思想，采纳新观念，关注新技术在物理实验中的运用，根据主题要求设计新的实验，针对不同类型的实验采取新的实验方法，提倡使用一些新的仪器。
1.1趣味实验的基本思路
（1）明确提出问题，了解实验的趣味性
（2）分析实验中需要测量哪些物理量以及需要哪些仪器进行测量（3）运用所学知识与技能，确定所需器材、实验步骤，设计实验方案
1.1.1趣味实验设计方案的原理
物理趣味实验具有创新性，要打破常规、发散思维、体现趣味性，所以没有固定的模式和万能的方法，但是物理实验的设计又有其自身规律性，从实验设计的六个层面上提炼出物理实验设计的六大原理[1]：
（1）物理平衡原理
物理平衡原理是已知A，现求B，B不易直接求，让B与A平衡，则可巧妙地求B.A和B代表物理现象、物理过程或物理量,这里的平衡可以是力平衡、热平衡、电磁平衡等。
（2）物理转换原理
物理转换原理是已知B=f（A）,现要测B,但B不易测,利用B=f（A）把测B转换为测A,由B=f（A）可得B.
（3）物理比较原理
物理比较原理是若实验条件N相同,有某物理现象或物理规律K相同;
若条件N不同,有某物理现象或物理规律K不同,则说明实验条件N是某物理现象或物理规律K的相关因子
（4）物理放大原理
物理放大原理是若物理现象、物理过程不明显或物理量A太小不易测量,可以进行物理放大,使物理现象、物理过程明显,使物理量A容易测量.物理放大有力学放大、光学放大、电磁放大、热学放大和叠加放大等多种方案
（5）物理模拟原理
物理模拟原理是某些物理现象、物理过程或物理规律A不容易或不可能直接显示出来,经过物理原理模拟后把它们可靠和容易地显示出来
（6）物理变换原理
物理变换原理是在物理实验改革和物理创新实验设计中创新性较高的原理,物理变换原理分为:
（1）静Ω动变换;
（2）水平Ω竖直变换;
（3）平面Ω立体变换;
（4）放大Ω缩小变换;
（5）分立Ω一体变换等
1.1.2物理趣味实验设计方案的要求
物理趣味实验首先必须具有趣味性，实验现象要明显，要能够激发兴趣，其次，实验必须简单易操作，繁杂冗长的实验步骤很难激发学生的创新思维，最后，实验还要具有可行性，可以想象很难实现或无法实现的实验很难有说服力，只有真正可行的实验才能通过直观的实验现象引起学生的思考，启发学生的创新思维。
1.2趣味物理实验在物理教学中的运用
在整个物理教学过程中，趣味物理实验占有重要的地位，往往是对前面所学知识的巩固甚至升华，为枯燥的物理学习带来了新的活力，还起到了开拓学生眼界、鼓励发散思维、提倡创新精神的作用。
1.2.1趣味实验对师生的影响
物理趣味实验的实验现象一般会与我们的生活经验产生矛盾，学生通过日常生活经验很难理解为什么会有这样的现象，这就会激发学生的好奇心、求知欲，同时教师必须具备扎实的学科知识才能为学生专业地阐述现象的本质，透过现象看本质。
总而言之，物理趣味实验不仅对学生是挑战，而且对教师也是一种挑战。
1.2.2趣味实验在中学物理中的体现
在中学物理教学中有许许多多的物理趣味小实验，例如：
能自己跳开的纸杯、吹不出来的兵乓球、土、扩散现象、漂浮的针、烧不断的棉线、自己会走路的杯子。
这些实验的器材通常来源于生活，在日常生活中随处可见，可也就是这些普通的器材却能产生奇特的实验现象。
下面就主要来介绍能自己跳开的纸杯和吹不出来的乒乓球这两个趣味实验。
实验1
能自己跳开的纸杯
实验材料：
两只纸杯（或轻的塑料杯）
实验步骤：
1．把两只纸杯重叠好后，放在水平桌面上2．用手轻轻抓住下面的纸杯，用力对上面的纸杯沿水平方向吹气，上面的纸杯便会迅速地跳离开来。
实验原理：
当我们对上面的纸杯沿水平方向吹气时，纸杯上面的空气流动速度加快，气压减小，而纸杯下面的空气流动速度没有改变，气压也没有改变，这样，由于纸杯下面气压较大，就把纸杯压上去了。
这一现象是荷兰物理学家伯努利首先发现的，也就是伯努利原理。
丹尼尔·
伯努利在1726年首先提出的原理的容是：
在水流或气流里，如果速度小，压力就大，如果速度大，压力就小。
实验2
吹不出来——神奇的兵乓球
实验器材：
乒乓球一个、漏斗一个
1.拿一个乒乓球放在漏斗里，仰着头，往漏斗里吹气。
2．事实告诉我们：
越是使劲想把乒乓球吹出来，它越是呆在那里不动。
这是因为当气流从漏斗中吹出来时，冲击乒乓球的表面，气流绕着乒乓球往上涌，这时乒乓球下部的压力比大气的压力小，因而使乒乓球无法跳出漏斗。
你越是使劲吹，乒乓球下面的气流速度越快，压力也越低，大气的压力就会把球死死地“摁”在漏斗里。
2趣味实验的实践探究
乒乓球平抛落在水平桌面上后的弹跳轨迹是有规律的，那么换成弹力球呢？
它的运动轨迹是否也是有规律可循的呢？
2.1提出问题
弹力球平抛落在水平桌面上后的弹跳轨迹是如何的？
以及产生实验现象的原因是什么？
2.2确定方案
我们可以借助高速摄像机完整的记录下弹力球平抛落在水平桌面上后的弹跳轨迹，测量并比较相邻落地点之间的距离，探究运动轨迹形成的原因并与同种情况下的乒乓球做对比。
2.3实验设计实施
实验设计实施包括确定实验目的，选取实验器材，解释实验原理，实验步骤操作四个方面。
2.3.1实验目的
探究弹力球平抛落在水平桌面上后的弹跳轨迹，对比乒乓球的弹跳轨迹，分析弹跳轨迹形成的原因
2.3.2实验器材
弹力球，乒乓球，高速摄像机，简易斜面，钢尺，铁架台
2.3.3实验原理
弹力球平抛落在水平桌面上后的弹跳轨迹与乒乓球的弹跳轨迹有所区别，乒乓球每段相邻落地点之间的距离基本相等，而弹力球每段相邻落地点之间的距离不相等，会出现距离一短一长交替出现的情况，而且每一段较短的距离基本相等，每一段较长的距离也基本相等。
出现这样的实验现象的主要原因就是能量的转化。
弹力球在第一次与桌面碰撞时会受到桌面对弹力球的巨大静摩擦力，由于受到静摩擦力会导致弹力球旋转，从而弹力球的平动动能会转换成转动动能，因为平动动能的减小所以弹力球第一次弹跳的距离较短，而弹力球在第二次与桌面碰撞时具有转动动能，静摩擦力会阻碍弹力球的转动，这样转动动能又转化成了平动动能，因为平动动能的增大所以弹力球第二次弹跳的距离较长。
接下来弹力球的运动就是重复之前的一短一长的运动，如此往复下去。
2.3.4实验步骤
1.首先可以大致观察乒乓球和弹力球在两个表面之间的反弹轨迹，通过两球运动轨迹对比发现弹力球运动与一般小球（比如乒乓球）运动存在差异，感受弹力球的特殊物理性质。
2.将简易斜面摆放在19.9cm高的高处，并使球从斜面静止滑下后能水平抛出落在水平桌面上，在大致的落地位置放上一把长度适合的直尺，并与小球弹跳轨迹所在平面保持平行使得读数正确。
3.将乒乓球从斜面上相同高度静止滑下，使用高速摄像机记录下乒乓球在水平桌面上弹跳轨迹，重复多次实验，避免偶然情况。
4.同样的将弹力球从斜面上相同高度静止滑下，保持每次弹力球平抛的初速度相同，使用高速摄像机记录下弹力球在水平桌面上弹跳轨迹，多次实验。
5.最后比较乒乓球和弹力球的弹跳轨迹，分析原因。
6.得出结论，整理实验器材。
2.4实验数据处理
实验结果的表达，首先取决于实验的物理模式，通过被测量之间的相互关系，考虑实验结果的表示方法。
常用到数据处理方法有作图法，列表法，平均值法，最小二乘法等。
在处理数据时可根据需要和方便选择任何一种方法表示实验的最后结果。
2.4.1研究乒乓球平抛运动的实验
将乒乓球从19.9cm高处以一定的初速度平抛落在水平桌面上，依次测量乒乓球在水平桌面上第一段、第二段、第三段、第四段弹跳距离S，总共做3次实验，避免偶然性。
次数
距离/cm
第一段弹跳距离S1
第二段弹跳距离S2
第三段弹跳距离S3
第四段弹跳距离S4
1
38.35
36.66
34.79
34.15
2
38.85
36.65
34.42
33.68
3
39.67
38.24
35.52
33.55
2.4.2研究弹力球竖直方向上运动的实验
为了更好地研究弹力球在水平桌面上的弹跳轨迹可以把从竖直方向和水平方向两个方面来探究。
同样将弹力球从19.9cm高处放下，使其做自由落体运动，记录弹力球第一次、第二次、第三次、第四次弹起高度H，以此来代替探究弹力球平抛落到水平桌面后竖直方向上的运动，总共做3次实验。
第一次弹起高度H1
第二次弹起高度H2
第三次弹起高度H3
第四次弹起高度H4
18.45
18.05
17.33
16.76
18.32
17.78
17.37
16.42
17.89
17.02
16.69
16.05
2.4.3研究弹力球水平方向上运动的实验
接着就是研究弹力球水平方向上的运动规律，同样的还是让弹力球从高19.9cm的高处以相同初速度水平抛出，记录第一次、第二次、第三次、第四次弹跳距离X，再与乒乓球的弹跳距离作比较，分析原因。
第一次弹跳距离X1
第二次弹跳距离X2
第三次弹跳距离X3
第四次弹跳距离X4
35.84
42.33
34.43
40.24
2
36.12
41.76
35.46
39.86
36.96
43.25
34.85
41.23
2.5实验结果分析
根据实验观察和结果分析能够得到如下两的轨迹图：
图一：
弹力球的运动轨迹与一般的小球（比如乒乓球）的运动轨迹显著地不同[2]
图二：
两球在一个表面上的运动轨迹[2]
在实验允许的误差围，乒乓球在水平表面上每次弹跳的距离基本相等，而弹力球弹跳距离则会出现先短后长的情况，原因在于弹力球第一次与水平表面碰撞时会产生一个巨大摩擦力，摩擦力会导致弹力球的旋转，从而弹力球的平动动能转化为转动动能；
而第二次碰撞时，巨大摩擦力会阻碍弹力球的转动，从而转动动能转化为平动动能，平动动能的大小会影响弹力球的弹跳距离。
2.6实验误差分析
做物理实验时要对一些重要物理量进行测量。
各被测物理量在实验当时条件下均有不以人的意志为转移的真实大小，我们称之为此值为被测物理量的真值。
测量的理想结果就是真值，但是它是不能确知的，因为，首先测量仪器只能准确到一定程度；
其次有环境条件影响，并且观测者操作和读数不能十分准确，理论也有近似性，所以测量值和真值总可能不一致。
定义测量值减去真值的差为测量值的误差，即
测量值（x）-真值（a）=误差（ε）
由于真值是不能确知的，所以测量值的误差也不能确切知道，在这样的情况下，测量的任务主要是：
给出被测量物理量真值的最佳估值以及给出真值最佳估值的可靠程度的估计[3]。
对于实验误差主要有系统误差和随机误差。
系统误差的主要产生原因是实验仪器、实验方法上的局限性，避不可免，但是我们可以设法去削减系统误差；
在同种情况下，对同一物理量进行重复的测量，各个测量值一般不完全相同，这就是测量时存在随机误差的缘故，一般我们可以采用多次测量求平均值的方法来减小随机误差给实验带来的影响。
本次几个实验的误差主要来自于空气阻力，而读数方面也存在一定误差。
3趣味实验的作用与存在的问题
任何事物都存在两面性，有优秀的一面也有不足的一面，下面我们来谈谈物理趣味实验的作用以及一些存在的问题。
3.1趣味实验对于新课程的意义
物理趣味实验在使学生掌握物理知识的同时激发学生学习物理的兴趣，加深对于物理知识和物理规律的理解。
学生是学习的主体，教师只是起到主导作用，充分发挥学生的主体地位，对提高物理教学质量，培养创新人才，具有重大的意义。
科学开发和建立物理趣味实验教学，是社会发展对人才需求的必然，是教学改革和深化的要求，也是构建和谐社会，推动社会进步的重要体现，是贯彻落实素质教育的重要举措。
3.2趣味实验在现实教学中存在的问题及解决方法
另一方面趣味实验在现实教学中也存在着一些问题，由于实验必须具有一定趣味性，编写难度较大，有些实验的实验效果不太明显。
学校和教师受传统观念的影响，普遍认为理论重于实验，这种思想导致了学生动手操作能力差，学生并没有真正自己动手去做实验，去感受实验带来的乐趣。
物理实验教学的教学方式也存在着不足，往往是教师先把实验演示给学生观看，然后再把原理、结论告诉学生，这样的教学方式必然导致学生学习主动性不强，处于被动接受状态，就未能体现教师的主导作用和学生主体作用相结合的教学原则。
对于这些存在的问题我想到了一些解决方法：
第一要转变观念，对于物理实验我们要重视，但不能急于求成，而是着眼于将来，要注重学生在将来踏入社会后所起到作用和带来的价值；
第二要提高教师自身素质，物理趣味实验教学的教学效果很大程度取决于教师的自身素质，教师在拥有了扎实的理论基础和实验知识技能的同时也必须对教育学、心理学及教育心理学有所研究，这样才能科学有效的指导学生进行物理趣味实验探究；
第三要重视贯彻实验目标，借助于实验教学，其最终目的还是在于使学生掌握物理知识和实验技能并且培养学生对于学习物理的浓厚兴趣。
参考文献
【1】松岭，明雪，物理创新性实验六大原理，物理与工程，07.03.21
【2】薛加民，弹力球的有趣物理现象，科学网博文，2013.9.3
【3】述武，立竹，国土，普通物理实验高等教育，2007.12.第4版
致
光阴似箭，大学的快乐学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了许多感悟了许多，有欢笑也有泪水。
而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
一路走来总是磕磕碰碰不断，还好周围一直有一群时刻关心我照顾我的人。
本论文是在导师王群老师的悉心指导下认真完成的。
导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风，朴实无华、平易近人的人格魅力对我造成的影响意义非凡。
不仅使我树立了远大的理想目标、掌握了基本的物理研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。
本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血，为我理清了设计思路的实验方法，并对我的论文研究提出了良好的改进措施，使我少走了许多弯路。
在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感!
本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。
在此感众多老师的指导和帮助，感母校师大学的关心、支持和帮助;
在这四年的学习生涯期间，得到许多学长学姐和学弟学妹的悉心关照和无私帮助，在此表示深深的感。
没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的学位论文的，同窗之间的友谊永远长存。
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