史香川丁慶紅

1.北京市蘋果園中學(xué) 北京 100144 2.北京教育學(xué)院石景山分院 北京 100043

平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的自制與創(chuàng)新

史香川1丁慶紅2

1.北京市蘋果園中學(xué) 北京 100144 2.北京教育學(xué)院石景山分院 北京 100043

人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理?必修2》在《實(shí)驗(yàn)：研究平拋運(yùn)動(dòng)》一節(jié)中，教材的安排順序是：首先設(shè)法描繪出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，然后判斷其軌跡是否是拋物線，進(jìn)而再求出平拋物體的初速度。由此可見，本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是獲得一條既準(zhǔn)確又清晰的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡。

教材中提供的3種實(shí)驗(yàn)方案，各有優(yōu)點(diǎn)，又有各自的不足之處：案例1具有簡便、直觀的特點(diǎn),但用鉛筆試探描繪小球可能經(jīng)過的位置，誤差大，且需多次嘗試才可能成功；案例2取材簡單,但在課堂上噴水不太好控制，且由于空氣阻力的作用，軌跡會(huì)逐漸偏離平拋曲線；案例3中使用的數(shù)碼照相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī),卻不是每個(gè)學(xué)校（特別是廣大的農(nóng)村學(xué)校）都易于獲得的。

針對(duì)上述分析,并結(jié)合教學(xué)實(shí)際情況,我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新,使實(shí)驗(yàn)效果得到了優(yōu)化。

一、自制教具的實(shí)驗(yàn)原理

不考慮小球的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，做平拋運(yùn)動(dòng)的小球，其重心的軌跡如果是圖1中的O-A-B-C,則可畫出小球最右端切點(diǎn)的軌跡O1-A1-B1-C1,從圖中的幾何關(guān)系可以知道，這兩條圖線的形狀是完全一致的，只是后者在前者的基礎(chǔ)上向右平移了小球半徑的長度，所以我們要研究小球的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，只需研究軌跡O1-A1-B1-C1就可以了。

圖1

平拋運(yùn)動(dòng)可以分解成水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)。要得到小球最右端切點(diǎn)的軌跡O1-A1-B1-C1,我們可以在小球正前方豎放一個(gè)與小球運(yùn)動(dòng)平面相垂直的接球板，讓運(yùn)動(dòng)的小球與接球板相撞，利用復(fù)寫紙，把碰撞點(diǎn)記錄在白紙上（參看圖1中的豎虛線）。接球板首先放在O1處，該位置為平拋的初始位置，從軌道某位置由靜止釋放小球，利用復(fù)寫紙印下該點(diǎn)，定為坐標(biāo)原點(diǎn)；然后把接球板從O1位置水平向右移動(dòng)到A1，從軌道同一位置由靜止釋放小球，則可以利用復(fù)寫紙印出第二個(gè)點(diǎn)；再把接球板從A1位置水平向右移動(dòng)到B1，從軌道同一位置由靜止釋放小球，則會(huì)印出第三個(gè)點(diǎn)……但如果只是把接球板C向右平移，則在白紙上只能顯示出豎直方向的位移，不能顯示出水平方向的位移，如圖2所示。怎樣能把水平方向的位移也同時(shí)顯示出來呢？我們應(yīng)該在把接球板C向右移動(dòng)一段距離的同時(shí)再把它向紙里（或紙外）移動(dòng)相等的距離（注意：每次移動(dòng)的方向要一致）。

圖2

實(shí)驗(yàn)過程中，把接球板沿水平方向向右移動(dòng)距離L的同時(shí)需把該板向紙內(nèi)（或紙外）移動(dòng)相等的距離L。豎直接球板每次向紙內(nèi)（或紙外）移動(dòng)距離L實(shí)際上是起到一個(gè)掃描作用，使得在同樣時(shí)間內(nèi)掃描的距離等于小球在水平方向運(yùn)動(dòng)的實(shí)際距離。

二、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要由斜槽軌道及支架A、水平底板B、豎直接球板C、接球板底座D和接球盒E五部分組成，如圖3所示。

A的斜槽軌道用現(xiàn)有的碰撞實(shí)驗(yàn)的軌道，附帶鉛垂線、小球、固定裝置等。其支架用3cm×2cm的不銹鋼方管焊接而成，其高度以固定好斜槽軌道后小球平拋能打在接球板頂端以下2cm處為宜。

圖3

水平底板B是40cm×40cm的不銹鋼板，在其上面上對(duì)稱地焊接30cm×2cm×1.5cm的不銹鋼方管作為凸軌道，在其下面用輔助材料加固防止面板變形，接球板底座D可在其上左右移動(dòng)，同時(shí)在B的前面貼有水平刻度尺，在其下面四角對(duì)稱地裝上四個(gè)調(diào)水平螺釘。

底座D用不銹鋼板做一個(gè)40cm×3cm×4cm的上端不封口框架，其上面開口的尺寸能使豎直板C可插入并可在其上前后移動(dòng)；在其兩端下面對(duì)稱地開兩個(gè)凹槽，間距及尺寸以其能在B的軌道上靈活地左右移動(dòng)為宜。底座上也有刻度（如圖4，這是從右方拍攝的），裝有接球盒（用海綿做成），防止球拋出后到處滾動(dòng)。

圖4

豎直板C是40cm×30cm的有機(jī)玻璃平板，其下端置入40cm×3cm×2cm的不銹鋼方管內(nèi)，為接球板，其位置可以前后、左右移動(dòng)，白紙（或坐標(biāo)紙）和復(fù)寫紙可以固定在上面。

該實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件是接球板C和底座D，只有這兩部分結(jié)構(gòu)適當(dāng)，才能既保證接球板C能前后、左右推拉移動(dòng)，又能使小球打在接球板上時(shí)裝置穩(wěn)定。底座D的結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示，接球板C的結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示，幾處相互關(guān)聯(lián)處的放大圖，如圖7所示。

圖5

圖6

圖7

三、使用方法

1.將本教具放在實(shí)驗(yàn)桌上,調(diào)節(jié)水平底板上的調(diào)水平螺釘使底板B水平。然后把斜槽軌道固定在支架上，調(diào)整裝置，用小球檢查斜槽軌道的末端是否水平，確保小球離開軌道的水平部分后做平拋運(yùn)動(dòng)。再把覆蓋復(fù)寫紙的白紙鋪貼在豎直的接球板C上,用夾子固定好。

2.調(diào)整底座和接球板，使硬板位置適當(dāng)，剛好能使小球要離開斜槽軌道的位置（所在的點(diǎn)）印在白紙上，選定該點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。借助于重垂線，從坐標(biāo)原點(diǎn)畫出豎直向下的Y軸。

3.把底座沿底板B的軌道水平向右（參考圖3的放法）移動(dòng)一段較短的距離L，同時(shí)把接球板C沿底座向紙內(nèi)（遠(yuǎn)離操作者的方向）移動(dòng)同樣的一段距離L，讓小球從斜槽軌道的某一位置由靜止釋放，在白紙上打下一個(gè)點(diǎn)。

4.重復(fù)步驟3（多次），這樣就得到小球平拋運(yùn)動(dòng)的若干軌跡點(diǎn)。注意每次都要讓小球從斜槽軌道的同一位置由靜止釋放。

5.取下白紙，過原點(diǎn)做Y軸的垂線，即可得到X軸。用平滑的曲線描繪出平拋物體的軌跡曲線，即可進(jìn)行后續(xù)其他研究。

我們用自制的教具做實(shí)驗(yàn)描繪平拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性、可操作性和可重復(fù)性都非常好。

四、自制教具的特點(diǎn)

1.該教具由于有幾處軌道裝置，能推能拉，可使實(shí)驗(yàn)過程由實(shí)驗(yàn)者靈活控制、點(diǎn)跡的多少由實(shí)驗(yàn)者根據(jù)需要選取、操作方便，省去了反復(fù)觀察再試觸、描點(diǎn)的麻煩。既可以方便教師做演示，也可以作為學(xué)生在課堂上分組實(shí)驗(yàn)的儀器。

2.該教具相當(dāng)于把大部分學(xué)?，F(xiàn)有的研究平拋運(yùn)動(dòng)的（留痕法）儀器中的固定豎直接球板巧妙旋轉(zhuǎn)90o，變成左右、前后可移動(dòng)的接球板，使原來的小球與接球板“擦肩而過”變?yōu)橹苯哟蛟诮忧虬迳希ㄓH密接觸），這樣打出的點(diǎn)跡清晰、準(zhǔn)確。完成坐標(biāo)變換，符合新課程用數(shù)學(xué)方法解決物理問題的理念。

3.實(shí)驗(yàn)裝置美觀，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性好，可操作性強(qiáng)，失誤率低，可重復(fù)性好。

4.制作材料易得，結(jié)構(gòu)簡單，成本低；接球板底座處有接球盒，易于回收小球。

五、適用范圍

該教具用于人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理?必修2》“實(shí)驗(yàn)：研究平拋運(yùn)動(dòng)”中獲得平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。既可以作為教師演示儀器，也可以作為學(xué)生分組的實(shí)驗(yàn)儀器。

[1] 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理(必修2)（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006

[2] 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理(必修2)教師教學(xué)用書（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2007

史香川，本科，中教一級(jí)。丁慶紅，本科，中教高級(jí)，高中物理教研員。