馮永清 王 林

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)*

馮永清 王 林

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

通過對(duì)現(xiàn)有平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的改進(jìn)，使學(xué)生通過調(diào)節(jié)平拋運(yùn)動(dòng)演示儀上塑料圈的位置，直觀地顯示出小球水平拋出后的拋物線軌跡，并且利用運(yùn)動(dòng)的比例關(guān)系通過測(cè)量得出平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)．

實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 平拋運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)的分解與合成

在高中物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與演示操作是教學(xué)過程中非常重要的環(huán)節(jié)．平拋運(yùn)動(dòng)作為高中物理教學(xué)中的一節(jié)，扮演著很重要的角色，但是其實(shí)驗(yàn)操作與演示通常會(huì)存在很多問題．比如，通過實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有關(guān)于平拋運(yùn)動(dòng)的演示儀不能直觀地得到小球做平拋的軌跡，而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器是通過小球平拋后落到接球槽且與白板撞擊，并且撞擊時(shí)通過復(fù)寫紙?jiān)诎准埳洗蛳乱稽c(diǎn)，然后移動(dòng)接球槽再打點(diǎn)，最后得到平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡．這種方法不能在小球一次落下便直觀地看到小球運(yùn)動(dòng)的軌跡．然后本人通過知網(wǎng)論文檢索發(fā)現(xiàn)有很多平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，筆者一一研讀了這些文章，發(fā)現(xiàn)總有不足之處．

下面筆者通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器進(jìn)行改進(jìn)，使小球在水平拋出后便能在白板上留下平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，并且對(duì)豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)和水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行了驗(yàn)證．

1 實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)

(1)儀器裝置

金屬小球2個(gè)，白紙1張，磁條2個(gè)，平拋運(yùn)動(dòng)演示儀一套，帶有雙面膠的塑料圈，直尺．

(2)制作材料

打孔器，502膠水，直徑稍微大于金屬小球的圓形塑料圈，雙面膠等.

(3)制作方法

首先找到直徑略大于金屬小球的塑料圓圈，將塑料圓圈的一邊稍微磨平，并粘上雙面膠，如此制作若干個(gè)．然后用螺絲刀將平拋運(yùn)動(dòng)演示儀上的平拋導(dǎo)軌取下，用打孔器將直尺打出和平拋導(dǎo)軌一樣距離和大小的孔，接著將直尺豎直放在平拋運(yùn)動(dòng)演示儀屏板左側(cè)并且保持直尺的零刻度線與平拋導(dǎo)軌水平面同一高度，然后用剛拿下的螺絲穿過平拋導(dǎo)軌與直尺的孔并固定住直尺．完成上述步驟我們的儀器制作就完成了，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器組裝圖，如圖1所示．

圖1 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器組裝圖

改裝后的實(shí)驗(yàn)儀器與原實(shí)驗(yàn)儀器相比沒有太大變化，我們只是做了稍微的改變，制作過程非常簡(jiǎn)單，材料也非常易得．下面我們將用制作出來的新設(shè)備進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)．

2 平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的得出

2.1 原有儀器平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的得出

2.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按照?qǐng)D2組裝實(shí)驗(yàn)儀器.

圖2 原有儀器組裝好儀器

(2)將復(fù)寫紙和白紙用磁條固定在實(shí)驗(yàn)器白板上.

(3)將接球槽推至最上方．

(4)小球放在斜槽的固球圈中．

(5)釋放小球，將在白紙上打出點(diǎn)．

(6)將接球槽向下移動(dòng)適當(dāng)距離，再釋放小球，將會(huì)打出新的點(diǎn)．多次重復(fù)．

(7)取下白紙、將會(huì)得到小球在白紙上打出的一系列點(diǎn)．

(8)用平滑的曲線連接各點(diǎn)，將會(huì)得到平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，如圖3所示.

圖3 平拋運(yùn)動(dòng)軌跡

2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器的的不足之處

此種方法雖然也得出了平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，但不能讓學(xué)生很容易理解，因?yàn)橥ǔＮ覀兛吹降钠綊佭\(yùn)動(dòng)的軌跡如流星一樣劃出的是一條連續(xù)的弧線，所以這種方法不能直觀地讓學(xué)生觀察并得出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，因此我們進(jìn)行了改進(jìn)．

2.2 改進(jìn)后的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的得出

2.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按照改裝后的儀器設(shè)備組裝實(shí)驗(yàn)儀器；

(2)用磁條或紙夾將白紙固定在屏板上(此時(shí)不再需要復(fù)寫紙，因?yàn)椴恍枰螯c(diǎn))；

(3)將小球放在平拋導(dǎo)軌的拋球開關(guān)中(拋球開關(guān)可以移動(dòng)，以便讓小球的水平初速度可以改變)；

(4)準(zhǔn)備好我們剛剛制作好的帶有雙面膠且大小稍微大于金屬小球的塑料圈10個(gè)左右；

(5)打開斜槽上的擋板，使小球做平拋運(yùn)動(dòng)，在白板上用帶有雙面膠的塑料圈標(biāo)記金屬小球經(jīng)過的軌跡，再一次釋放金屬小球，調(diào)整白板上的塑料圈的位置，使小球剛好能從塑料圈中間穿過，多次釋放小球并且對(duì)塑料圈進(jìn)行調(diào)整使最后一次釋放小球時(shí)能讓小球順利通過所有的塑料圈，如圖4所示；

圖4 做平拋運(yùn)動(dòng)的小球順利通過白板上的塑料圈

(6)然后用筆標(biāo)記每一個(gè)塑料圈粘貼的位置，如此我們也就得到了平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡圖．

2.2.2 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)儀器的優(yōu)點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)儀器經(jīng)過以上方法的改進(jìn)，可以一次性形成平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡圖，塑料圈的擺放位置代表小球平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)所經(jīng)過的位置，且小球可以數(shù)次穿過所有塑料圈，使實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性，更具說服力．而原實(shí)驗(yàn)儀器通過上下移動(dòng)接球槽使落下來的小球在到達(dá)接球槽位置時(shí)與白板發(fā)生碰撞，碰撞時(shí)通過復(fù)寫紙便在白紙上留下印記．這種得到平拋運(yùn)動(dòng)軌跡圖的方法，由于碰撞時(shí)的反彈會(huì)打出多個(gè)點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)存在誤差．而我們改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器恰好不需要撞擊，從而解決了以上問題．

3 驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)

通過以上實(shí)驗(yàn)我們已經(jīng)得到了平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，現(xiàn)在我們對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解并驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)．

圖5 平拋豎落儀

步驟如下：

(1)將平拋豎落儀掛在平拋運(yùn)動(dòng)演示儀屏板的頂端；

(2)按照?qǐng)D5將兩金屬球放在平拋豎落儀上；

(3)將平拋豎落儀上的小錘拉起擊打小球，金屬片把A球沿水平方向拋出，同時(shí)B球被松開，自由下落；

(4)用我們已經(jīng)制作好的塑料圈標(biāo)記出A球的下落軌跡，并將小錘拉起相同高度重復(fù)試驗(yàn)，使小球能順利地通過所有標(biāo)記的塑料圈；

(5)在B球的豎直下方用塑料圈標(biāo)記出B球的下落軌跡，并且使B球下方的塑料圈與A球軌跡標(biāo)記中的每一個(gè)塑料圈保持同樣的高度，如圖6所示；

圖6 兩球運(yùn)動(dòng)軌跡標(biāo)記的每一個(gè)塑料圈保持同樣高度

(6)觀察兩小球的落地情況并注意聽兩小球的落地聲音．

通過以上演示實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)觀察到A和B兩小球總是能同時(shí)經(jīng)過同一高度塑料圈并且落地時(shí)我們會(huì)聽到只有一次的撞擊聲音，從而我們總結(jié)出了平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上與自由落體運(yùn)動(dòng)的小球是同步的，由此證明了平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)．

4 驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)

通過以上實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng),并且通過高中物理必修1運(yùn)動(dòng)章節(jié)的學(xué)習(xí)我們已經(jīng)知道：初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)相同時(shí)間內(nèi)通過的位移之比為1∶3∶5∶7…要想證明平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，我們需要證明在平拋運(yùn)動(dòng)中相同時(shí)間內(nèi)通過的水平位移是否相同？如果相同時(shí)間內(nèi)小球做平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上經(jīng)過位移相同則證明平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)．由此我們?cè)O(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

在學(xué)習(xí)平拋運(yùn)動(dòng)之前我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了運(yùn)動(dòng)的分解與合成，意味著學(xué)生已經(jīng)掌握了各分運(yùn)動(dòng)之間存在同時(shí)性，因此我們從已知的豎直方向的運(yùn)動(dòng)入手使水平方向相鄰位移時(shí)間間隔相同，通過測(cè)量位移驗(yàn)證水平方向的運(yùn)動(dòng)情況．具體操作如下.

由于拍照后不能很好地說明，因此通過作圖表達(dá)．如圖7所示，我們從直尺的零刻度開始取y1長為2 cm,在與2 cm刻度水平位置粘貼塑料圈，使小球下落時(shí)剛好能穿過塑料圈．然后我們?cè)偃2長為6 cm，并且在直尺8 cm刻度的水平位置粘貼塑料圈，使小球平拋落下時(shí)剛好能通過塑料圈．與上述操作一樣，我們?cè)偃3為10 cm,并且粘貼塑料圈，使平拋落下的小球穿過塑料圈，如圖7所示．這樣我們就得到y(tǒng)1∶y2∶y3=1∶3∶5,而在豎直方向小球做自由落體運(yùn)動(dòng)，故在豎直方向小球經(jīng)過y1,y2,y3所用時(shí)間相等．從而我們得到小球經(jīng)過3個(gè)塑料圈所用時(shí)間相等， 即小球在水平方向經(jīng)過x2,x3的時(shí)間也是相等的，我們通過測(cè)量得到x2,x3之間的距離非常接近，而小球穿過每個(gè)塑料圈經(jīng)過的時(shí)間又相等，由此我們便可證明小球在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)．

圖7 測(cè)量平拋運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方向相等時(shí)間內(nèi)的間隔

以上是關(guān)于平拋運(yùn)動(dòng)的演示儀的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過以上簡(jiǎn)單的儀器改進(jìn)解決了我們?cè)谄綊佭\(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到的問題．此次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)取材容易，制作簡(jiǎn)單，并且能在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行．最重要的是改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器可行性很強(qiáng)，能在實(shí)驗(yàn)室推行．但其中的不足之處是平拋運(yùn)動(dòng)演示儀屏板太小，導(dǎo)致獲得的數(shù)據(jù)非常有限，所以我們應(yīng)對(duì)屏板進(jìn)一步改進(jìn)．

5 結(jié)束語

在中學(xué)物理教學(xué)階段，實(shí)驗(yàn)操作與演示是很重要的一部分，但我們實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器大多都有不足之處，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)問題時(shí)應(yīng)該積極地想辦法進(jìn)行改進(jìn)，而且要確保簡(jiǎn)單易行．在這個(gè)過程中能促進(jìn)我們對(duì)知識(shí)的更深一步的認(rèn)識(shí)，而且我們可以與學(xué)生一起探討，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣與創(chuàng)造力．

*2016年研究教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：YXW201604；2016年寧夏高?？蒲许?xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：NGY2016054

馮永清(1993- )，男，在讀研究生，研究方向?yàn)槲锢斫逃?

指導(dǎo)教師：王林(1959- )，男，教授，主要從事物理課程與教學(xué)論、教育技術(shù)學(xué)研究.

2017-02-25)