創新設計“探究平拋運動規律”實驗的滑塊

程永活

(安徽省歙縣第二中學,安徽黃山 245200)

新課標高中物理(必修2)教材的“探究平拋運動規律”實驗中,采用鉛筆和一個帶有小孔的硬紙片來確定小球平拋運動的位置,雖然能探究出平拋運動規律,但在實驗時為了確定一個位置往往要做很多次的試探才能找到,要完成平拋運動的描跡,需花幾十分鐘,很難在課堂45分鐘內完成實驗探究,而且誤差很大.用頻閃照片和光電投影這些現代科技的手段探究又受到條件的限制.為了能在實驗中很快地描繪出小球平拋運動的軌跡,減少因確定小球位置的操作給實驗探究帶來的誤差,筆者對實驗的滑塊進行了如下設計.

實驗裝置如圖1.在注射器的注射針頭與針筒之間接一根細長的軟塑料管(輸液管的前端細管),將注射針頭安裝在一小段圓鐵管中心軸.操作時發現:在圓鐵管滾動時注射針頭隨之滾動,使軟塑料管扭轉.于是在安裝注射針頭時用了兩個軸承,這樣鐵管滾動時注射針頭就不滾動了.在圓鐵管外套兩個圓環,控制圓鐵管沿斜槽滾動,并且能從水平槽末端水平拋出.在圓鐵管即將拋出時,推注射器針筒,紅墨水從針頭噴出,就在豎直木板的白紙上畫出了平拋運動的軌跡.

圖1

設計時注意幾個問題:

(1)注射針頭要很細(用醫生做皮試的針頭),否則,噴射的水流太大.(2)注射針頭剪短并磨平,防止被針頭滑傷,而且可以確保水從針頭水平噴出.(3)注射針頭離豎直木板的距離不能太遠.(4)圓鐵管平拋運動的過程中,保持軟塑料管松弛.

誤差分析:圓鐵管平拋運動的過程中(不計空氣阻力),處于完全失重狀態,因此,軟塑料管對它沒有拉力,因為水流很小,對圓鐵管的作用力可以不計.實驗誤差比教材實驗小得多.

該設計能一次性描繪出平拋運動的軌跡,實驗誤差也很小.材料很容易得到,學生可以通過自己動手制作模型然后探究,學生既學了知識又提高了創新能力,非常符合新課改理念.

為了便于得出平拋運動特點,還可以類似于打點計時器設計一個自行噴水的滑塊(裝置如圖2).

圖2

在注射針頭前面安裝一個可以轉動的圓形塑料片,圓形塑料片中心連接轉軸,由小型電動機帶動,根據圓形塑料片轉動周期在塑料片的某一圓周適當打幾個圓孔,圓孔要均勻分布在同一圓周,確保噴點的等時性.當圓形塑料片的圓孔轉到注射針頭前面時,水穿過圓孔噴在豎直木板的白紙上,留下一點;其他時間圓形塑料片把水流阻擋,水噴不到白紙上.這樣,就相當于打點計時器,打點周期可以通過圓形塑料片轉動周期和圓孔數進行調整.

實驗時,拉開注射器推筒注水后,用移動栓卡住,然后將小車放在斜槽上(可以自制便于小車運動的末端水平斜軌道),接通電動機開關,移開移動栓后釋放小車,在小車經水平末端后拋出做平拋運動同時,噴出的水滴在白紙上留下5、6個點.這樣就不必對軌跡進行數學分析,直接測量這些點之間的水平距離和豎直距離即可得出平拋運動規律.