PDF《多功能平抛运动演示仪 *》

多功能平抛运动演示仪* 彭钟樊 代伟邹勤王玉涵 王丹(西华师范大学物理与空间科学学院 四川 南充

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2 1 ) 摘要平抛运动是一种典型的曲线运动, 是高中《 物理・必修2 》 重点知识.

为了克服已有仪器的不足, 自制的 平抛运动演示仪能直观显示出做平抛运动物体的实际运动轨迹;

并且借助线性激光器和环形磁铁可在刻度板上精 准地找到平抛轨迹的坐标点, 描出轨迹曲线;

通过对图像数据的分析可定量分析得出平抛运动竖直分运动是自由 落体运动的运动规律. 该仪器还可演示光的全反射, 一物多用, 值得推广. 关键词 平抛运动 匀速直线运动 自由落体运动 全反射 自制演示仪

1 引言 平抛运动是一种典型的曲线运动, 是普通高中 《 物理・必修2 》的重点知识. 将物体以一定的初速 度沿水平方向抛出, 不考虑空气阻力, 物体只在重力 作用下所做的运动, 叫做平抛运动. 在中学物理教学 过程中, 为了能精确描绘出平抛运动的运动轨迹, 自 制了 平抛运动演示仪 , 该仪器打破传统的演示方 法, 可以直接得到连续的平抛运动轨迹, 同时在仪器 上可直观地找到轨迹上任意一点的坐标, 并且通过 对坐标的数据分析可定量验证平抛运动竖直分运动 是自由落体运动. 仪器演示效果好, 操作也方便.

2 原有平抛运动演示实验及不足之处 2.

1 原有平抛运动演示实验及不足 在教科版高中《 物理・必修2 》

第一章第3节 对 平抛运动的实验探究 中, 教材提供的实验演示装 置如图1所示, 演示时用小锤轻击弹性金属片, A 球 向水平方向飞出, 同时B球被松开. 由于A球获得水 平初速度且只在重力作用下运动, 所以 A 球做平抛 运动, B 球只在重力作用下自由落下, 所以B 球做自 由落体运动. 之后观察两球运动路线, 比较它们落地 时间来判断平抛运动在竖直方向做自由落体运动. 图1 教材提供的演示装置 但此演示实验存在明显的不足: 一是由于整个 实验演示过程时间很短, 学生很难用肉眼观察到小 球的运动情况, 只能听两小球最后落地的声音来做 出判断, 但这样精小细微的判断对于中学生来讲比 较困难;

二是只能通过小球运动情况, 定性地说明竖 直分运动是自由落体运动, 理由不充分;

三是无法直 接描绘出平抛运动轨迹图. 2.

2 已改进的平抛运动演示仪的不足 在文献[

1 ]中作者针对原有平抛运动演示仪的 不足进行了改进, 如图2所示. ―

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1 9年第1期 物理通报 物理实验教学 * 四川省研究生教育改革创新项目, 编号: 川学位[

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1 4 ] 1号. 作者简介 彭钟樊(

1 9

9 5 ) , 女, 在读硕士研究生, 主要从事学科教育研究. 通讯作者 代伟(

1 9

6 4 ) , 男, 主要从事大学物理实验教学与研究. 图2 文献[

1 ]中已改进的装置 在竖直板上粘有竖直方向等间距的水平直线坐 标, 并在竖直板的正前方放有产生平行光线的装置. 实验时, 做平抛运动的小球在平行光照射下产生的 影子经过竖直方向等间距的直线坐标, 通过对小球 的影子在直线坐标某刻度上的多次确认, 最终描绘 出小球位置. 该演示仪能描绘出小球做平抛运动的 轨迹, 但不足之处有3点: 一是通过小球的投影描绘 平抛运动轨迹时无法确定小球的球心, 因而得出的 轨迹图并不准确;

二是小球的运动时间短, 要通过多 次运动才能描绘轨迹上的一点, 费时费力, 对于学生 而言时间过短, 也不能轻易操作;

三是无法呈现出持 续的实物平抛图像, 不便于直接观察.

3 自制平抛运动演示仪 原有一些研究平抛运动实验教具中, 都是以刚 性小球为实验对象, 建立质点模型来研究运动. 自制 平抛运动演示仪将以持续不断的水流呈现出平抛运 动特点, 与质点模型有所不同. 但在研究过程中, 可 将连续的水流看成若干部分, 每一部分均视为质点, 即为若干质点依次连续做平抛运动, 最终可呈现出 一条实际抛物轨迹. 自制的平抛运动演示仪如图3所示. 图3 平抛运动分析演示仪 在仪器的底座上安放有一水槽, 水槽里放有一 个潜水泵, 水泵的型号为 HG -

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0 , 电压范围在2

2 0~

2 4 0V, 频率为5 0H z , 额定功率为1

5 W, 最大抽水 高度为1. 6m, 每小时最大水流量为8

0 0L. 在水槽 上竖直安装着一坐标板, 规格为2 7c m*4 2c m, 坐 标板相邻两边上各安装有一个可自由滑动的红色线 性激光器进行轨迹描点. 为了将线性激光器描出的 轨迹点保留下来, 在仪器坐标板上放有环形磁铁, 环 形磁铁是一前一后安在坐标板上, 这样就可使磁铁 在坐标板上自由移动了, 多放几组, 演示时将环形磁 铁的中心对准轨迹点就可把水平抛物的轨迹点保留 下来, 描绘出平抛运动轨迹. 在水槽左上方还竖直安 装着一长方体盛水槽, 其内部结构如图4所示, 进出 水管都用乳胶管, 在溢水乳胶管的上部套一段塑料 管, 通过上下推拉溢水乳胶管就可以改变塑料管的 高度进而调节水流抛出的初速度. 长方体盛水槽上 部的右边安放有一钻孔有机玻璃出水管, 左边安放 激光笔, 把盛水槽钻孔, 让激光笔光束能穿过长方体 盛水槽后从出水有机玻璃管中心通过就可演示光的 全反射. 图4 盛水槽内部结构图

4 用自制平抛运动演示仪演示平抛运动 4.

1 自制平抛运动演示仪的使用 把潜水泵与进水乳胶管1接上, 接通电源, 水通 过进水乳胶管1被抽到长方体盛水槽内, 调节溢水 塑料管的高度, 当水流从出水乳胶管2溢出时, 水就 从出水有机玻璃管以一恒定初速度水平射出, 该水 流除了受到重力以外不受其他力, 因此水流做平抛 运动. 只要水泵一直抽水就有水流持续不断地射出, ―

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1 9年第1期 物理通报 物理实验教学 这时便可以直观地看到平抛运动的轨迹, 如图5所示. 若要改变做平抛水流的初速度, 可以通过上下推 拉出水乳胶管2实现, 向上推则平抛水流的初速度 增大、 射程增大, 向下拉则平抛水流的初速度减小、 射程减小. 溢水高度调节方便. 图5 水流轨迹实物图 4.

2 平抛运动轨迹描绘 为了描绘出水流的平抛运动轨迹, 仪器先通过 两个红色线性激光器找到水流平抛运动轨迹上的某 一点, 然后将可自由移动的环形磁铁移到该处, 在圆 环中心描点就可精确地找到该点的坐标. 也可在坐 标板的背面放一坐标纸, 在坐标纸上把该点描出, 因 为环形磁铁是在坐标板上前后两颗成对安放. 重复 上述步骤, 轨迹上任一点的坐标都可读出, 如图6所示. 图6 水流轨迹描绘图 4.

3 定量分析平抛运动竖直分运动是自由落体运 动 将水流的轨迹从射出点起描绘在坐标板上, 以 轨迹起点为原点建立直角坐标系, 此时可以读出轨 迹上任一点的坐标. 从轨迹起点依次取出水平间隔 相等的多个点, 并依次读出这些点到x 轴的距离 s 1, s

2 , s 3, …, 若在误差范围内满足 s

1 ∶ s

2 ∶ s

3 ∶…=1

2 ∶

2 2 ∶

3 2 ∶… 这一关系, 说明水流在竖直方向上做自由落 体运动. 此结论由初速度为零的匀加速直线运动在 前1 T 内、 前2 T 内、 前3 T 内…的位移之比为 s 1∶ s 2∶ s 3∶… =1

2 ∶2

2 ∶3

2 ∶… 演变而来.

5 自制平抛运动演示仪的优点 (

1 )以往的平抛运动演示仪多采用小球作为平 抛物, 此时平抛运动轨迹应是小球质心运动轨迹, 但 小球有大小、 体积, 其质心并不好描绘. 比如让小球 做平抛运动, 使用放有复写纸且可上下活动的托板 来确定质心位置或通过先盯住一点的横坐标或纵坐 标, 再读出另一个坐标来确定质心位置. 这两种方式 过程不但繁琐, 浪费时间与精力, 而且平抛运动时间 很短, 并不容易确定点的坐标, 所以确定的质心位置 误差极大. 而本文自制的平抛运动演示仪是以水流 作为平抛物, 并且水流很细小, 通过两个红色线性激 光器的相交光线去找水流上的某一点很好定位, 再 通过移动环形磁铁就可以极其精确地找到点的位 置, 方便快捷. (

2 )以往平抛运动演示仪部件较多且繁琐, 若 要得到平抛运动轨迹图, 一般先确定几个点的位置, 然后用平滑曲线连接得到轨迹图, 这会使学生产生 疑惑: 为什么使用平滑曲线连接后就会是轨迹图? 而本文自制的演示仪会有持续不断的水流做平抛运 动, 所以平抛运动的轨迹就以水流的流动轨迹显现 给学生, 避免了因时间短不好观察等缺点, 这样使得 最终描绘的轨迹有理有据、 清晰明了. (

3 )仪器结构紧凑, 材料简单易得, 易被学生掌 握. 仪器既可演示、 分析平抛运动, 便于理论推导得 出平抛运动的运动规律, 又可演示光的全反射, 如图 6, 打开激光笔后沿水流轨迹方向能看到光路弯曲现 象. 一物多用, 值得推广. 参考文献1袁铃. 简易 平抛运动实验的改进. 科教文汇(下旬刊) ,

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2 段晨靓, 代伟, 李青, 等. 自制 多功能持续性平抛运动演 示仪 . 实验教学与仪器,

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3 乔密海. 平抛运动实验的改进. 物理实验,

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4 顾家桐, 桑芝芳. 平抛运动演示装置的自制与创新. 中学 物理,

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