摘要:介紹用磁性畫寫板做的幾個物理實驗。材料易得、制作簡單,效果顯著,可加深學(xué)生對物理知識的理解。
關(guān)鍵詞:磁性畫寫板;平拋運(yùn)動;斜拋運(yùn)動;離心運(yùn)動;簡諧運(yùn)動
中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-6148(2008)11(S)-0054-2
目前,市面上有很多商店都出售磁性畫寫板,兒童們都喜歡購買來畫畫或?qū)懽?。在物理教學(xué)中,我們也可以用磁性畫寫板的特殊性質(zhì)來做一些中學(xué)物理實驗,不但方便易行,而且效果相當(dāng)不錯。
1 磁性寫畫板的結(jié)構(gòu)
磁性畫寫板所用的“筆”,實質(zhì)上是一段強(qiáng)磁性小磁鐵棒鑲嵌在塑料桿一端,所用的“畫擦”,實質(zhì)上也是一根磁鐵棒片,安裝在畫寫板的下面.工作原理是利用磁鐵具有吸引碎鐵屑作用。寫字時,磁性畫筆把細(xì)鐵屑吸引在畫寫板的上表面,從而留下“字跡”,擦去時是靠磁鐵片把細(xì)鐵屑吸引在下內(nèi)表面,從而使上面的字跡消除。下面,筆者例舉幾例用磁性畫寫板做的物理實驗。
2 磁性寫畫板做物理實驗的設(shè)計
2.1 做平拋運(yùn)動實驗
對于平拋運(yùn)動,我們?nèi)粘I钪胁⒉簧僖?,但對于平拋運(yùn)動的軌跡,我們往往是做了實驗后畫出的。若能在物體做平拋運(yùn)動的同時留下軌跡,則對平拋運(yùn)動的軌跡是曲線會理解得更加具體、深刻,使人易于接受。
把磁性畫寫板的細(xì)短磁鐵棒取下,把它插在刻有兩道光滑凹槽的質(zhì)量均勻的圓銅柱一端。用鐵絲做一平行軌道,軌道寬度與兩凹槽間的距離相等。將軌道加工成斜角形,水平部分約占全長的四分之一,傾斜部分占全長的四分之三。把磁性畫寫板豎立起來加以固定,調(diào)整軌道在合適位置處,使圓銅柱從軌道上滑出。做平拋運(yùn)動過程中磁棒始終與畫寫板平面保持垂直且相距1mm左右。那么,當(dāng)圓銅柱從規(guī)道上滑出做平拋運(yùn)動的過程中,磁鐵棒就會在畫寫板上自動“畫”出物體做平拋運(yùn)動的軌跡(如圖1)。
2.2 做斜拋運(yùn)動實驗
在物理教材中,關(guān)于斜拋運(yùn)動的演示實驗,大都用噴出的水流代替斜拋體來演示。但水流過后,斜拋體的運(yùn)動軌跡也隨之消失,不便于研究斜拋運(yùn)動的軌跡,特別是在研究斜拋物體的射程和射高跟初速度和拋射角的關(guān)系時,不易形成直觀的對比分析,不便于通過討論分析得到直觀的結(jié)論。若用磁性畫寫板,就可做成較為理想的斜拋運(yùn)動實驗。
整個實驗裝置同圖1相似,只不過鐵絲做成的平行軌道彎成的傾角要適當(dāng),并且可在一定角度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)(如圖2)。
(1)演示斜拋運(yùn)動軌跡
讓圓銅柱從左邊軌道上某一位置滑下,在其離開右邊軌道后就做斜拋運(yùn)動,磁鐵棒就會在畫寫板上自動畫出斜拋運(yùn)動的軌跡。
(2)演示斜拋運(yùn)動射程和射高跟初速度的關(guān)系
保持右邊軌道傾角不變,即保持斜拋體拋射角不變,讓圓銅柱從左邊軌道上不同高度處由靜止滑下。就可得到當(dāng)拋射角不變,初速度不同時,斜拋物體的運(yùn)動軌跡。對比分析得到斜拋運(yùn)動射程和射高跟初速度的關(guān)系。
(3)演示射程和射高跟拋射角的關(guān)系。
改變右邊軌道的傾角,即改變拋射角大小,讓圓銅柱從左邊軌道上同一位置滑下,就可得到初速度相同而拋射角不同時斜拋物體的運(yùn)動軌跡。對比分析得到斜拋運(yùn)動的射程和射高跟拋射角的關(guān)系。
2.3 演示離心運(yùn)動軌跡實驗
離心運(yùn)動是當(dāng)物體受到的向心力突然消失,物體就沿圓周切線方向飛去,做離圓心越來越遠(yuǎn)的運(yùn)動。但在合外力不足以提供物體做圓周運(yùn)動所需的向心力時,物體將會逐漸遠(yuǎn)離圓心運(yùn)動,其軌跡是一條曲線??汕捎么判援媽懓迨箤W(xué)生在課堂上能直接觀察到此種離心運(yùn)動的軌跡。
實驗方法是取一平滑木質(zhì)圓盤,大小與磁性畫寫板差不多。在圓盤的中心處鉆一小孔(孔的直徑等于轉(zhuǎn)軸的外徑),把它安裝在手搖轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸上,圓盤平面垂直于軸線,且圓盤中心與軸線重合,圓盤能繞豎直軸旋轉(zhuǎn)。然后把磁性畫寫板固定在圓盤上,使磁性畫寫板中心與圓盤中心重合(圖3)所示。然后取一橡皮塊,在橡皮塊中心鉆一小孔,把磁性筆尖嵌入,放在靠近畫寫板中心附近的地方,接著轉(zhuǎn)動手柄,使轉(zhuǎn)速由慢到快,直到畫寫板與橡皮塊間最大靜摩擦力無法滿足橡皮塊做圓周運(yùn)動的向心力時,橡皮塊就沿著圓周和切線之間的某條曲線運(yùn)動,離圓心越來越遠(yuǎn),直至飛離畫寫板。在此過程中,橡皮塊中的磁性畫筆就會自動地“畫”出橡皮塊運(yùn)動的軌跡。
2.4 演示簡諧運(yùn)動圖象
(1)演示彈簧振子的振動圖象
實驗裝置如圖4:1為支架;2為掛釘;3為豎直振動的彈簧振子,彈簧振子內(nèi)嵌磁性筆尖,且筆尖向里略凸出;4為磁性畫寫板限位槽,用木板和U形鋁合金制成,并將其固定在木支架適當(dāng)高度處,即限位槽木板中心的高度振子靜止時高度大致相同;5為磁性畫寫板;6為牽引電機(jī),其電源和開關(guān)固定在限位槽木板背面。
實驗時用手豎直向下拉動振子使其離開平衡位置適當(dāng)距離后釋放,使振子做簡諧運(yùn)動。然后接通電源,電機(jī)勻速牽引磁性畫寫板運(yùn)動,振子中的磁性筆尖就會自動在畫寫板上\"畫\"出彈簧振子的振動圖象。注意在實驗時彈簧振子做簡諧振動時其內(nèi)磁性筆尖與畫寫板保持在1mm左右的距離。
(2)演示單擺的振動圖象
實驗裝置如圖5。
實驗時,把磁性筆尖嵌入單擺擺球中,并略向下凸出。把磁性畫寫板放在擺球下方,使其與磁性筆尖剛好接觸。然后,拉動擺球偏離豎直位置(偏角小于5度)后釋放,則單擺就做簡諧運(yùn)動,然后勻速拉動磁性畫寫板,則畫寫板上就會留下單擺簡諧運(yùn)動的圖象。
上述幾種用磁性畫寫板做的演示實驗,最大的優(yōu)點是可以在極短的時間內(nèi)進(jìn)行反復(fù)演示,操作起來簡單方便,效果很好。
參考文獻(xiàn):
[1]楊渠.巧用磁性畫寫板做平拋運(yùn)動實驗.物理教學(xué).2000年第8期.
(欄目編輯王柏廬)