平拋運動演示儀的改進

李燕秋，代　偉，羅　微，馬　蘭，黃　軍

(西華師范大學 物理與電子信息學院，四川 南充 637002)

平拋運動演示儀的改進

李燕秋，代偉，羅微，馬蘭，黃軍

(西華師范大學 物理與電子信息學院，四川 南充 637002)

摘要：針對高中物理教科版教材中平拋運動的演示實驗裝置存在的不足，對平拋運動演示儀進行了改進.該演示儀在水平方向上，利用電磁鐵控制2個小球開始運動時間，當小球通過彎度相同的2個玻璃管后，一個做平拋運動，一個做勻速直線運動，最后會相碰，由此說明平拋運動的在水平方向上是勻速直線運動. 在豎直方向上，利用單片機自制了延時電路，當做平拋運動的小球和做自由落體運動的小球落地時，發光二極管會分別發出紅光和綠光，通過2個二極管的發光情況可以判斷出兩小球同時落地，即可以判斷出平拋運動的豎直方向上是自由落體運動.

關鍵詞：平拋運動；勻速運動；自由落體

1引言

平拋運動是拋體運動中的特殊情況，物體被拋出時的初速度方向沿水平方向，即物體具有水平初速度，且只在重力作用下所做曲線運動. 在分析平拋運動時可以將平拋運動分解為水平方向和豎直方向的2個分運動. 水平方向的運動為勻速直線運動，豎直方向為自由落體運動. “研究平拋運動”是高中物理新課標學生實驗中極為重要的探究實驗之一. 為了達到在物理教學中研究平拋運動規律、描繪平拋物體運動軌跡、驗證平拋運動是水平向前的勻速直線運動和垂直向下的自由落體運動的合成運動，我們對平拋運動演示儀進行了改進. 改進后的儀器能很好地突破平拋運動教學的重難點，儀器操作簡單，演示效果明顯.

2原有平拋運動演示儀存在的不足

在高中物理教科版必修2第一章第三節對平拋運動的實驗探究中，教材給出的演示豎直方向上的運動情況實驗裝置如圖1所示. 演示時用小錘輕擊彈性金屬片，金屬片把A球沿水平方向拋出，同時B球被松開，自由下落，A，B兩球同時開始運動. A球在金屬片的作用下獲得水平初速度后只在重力作用下運動，故A球做平拋運動. B球被松開后沒有任何初速度，只受到重力的作用，故B球做自由落體運動. 觀察兩球的運動情況，一是看兩球是否同時落地，二是聽2個小球的落地聲是否相同. 顯然這2種觀察方法都存在一定的缺陷，因為兩球下落的時間太短，這樣微小精細的判斷對于中學生來講是極其困難的，然而在實驗中判斷2個小球是否同時落地則是實驗判斷的核心. 因此用該演示裝置相應的實驗現象不易觀察到. 在演示平拋運動水平方向和垂直方向的運動情況時許多教師采用的是圖2所示的雙軌平拋運動實驗器 J2154. 該儀器存在的不足之處有3點：一是作平拋運動的小球拋出時的高度無法調節，演示時觀察到的只有儀器設定的高度，教師演示時無法延伸展開，演示不具普遍性，由此學生難以理解平拋運動在水平方向作勻速直線運動；二是演示豎直方向上的運動情況演示器存在與圖1相同的問題；三是儀器沒有設置擋板，小球掉下后會散落在地上.

圖1　教材中的平拋運動演示儀

圖2　雙軌平拋運動實驗器J2154

3改進的平拋運動演示儀

改進后的平拋運動演示儀的正面用來演示平拋運動在水平方向作勻速直線運動，背面用來演示平拋運動在垂直向下方向作自由落體運動.

3.1　驗證平拋運動水平方向為勻速直線運動的實驗裝置改進

儀器正面用來演示平拋運動在水平方向作勻速直線運動，儀器結構如圖3所示，底部10有4個調節螺絲可將儀器調水平，可以升降的有機板3通過2根滑軌6安裝在立板上，上滑道5和下滑道8均用內徑為20 mm的有機玻璃管彎制而成，小球則選用16 mm的鋼球. 在彎制有機玻璃管時先要根據軌道的角度用木板把彎管模具做好，這樣才能保證彎出的有機玻璃管滑道角度完全相同，從而保證作平拋運動的小球和作水平運動的小球初速度相同. 為了防止有機玻璃管在彎曲時變扁應在彎管前將一螺旋彈簧放入管中，有機玻璃一般在70 ℃以上就會變軟，所以彎管時用電吹風對管子彎曲部分加熱即可. 上、下軌道中的小球的釋放由電磁鐵控制. 在進行演示時無論將上軌道放置在何高度，上、下軌道中的小球斷電釋放后都能相碰，說明上下2個軌道中的金屬小球水平方向的運動時間相同，學生能明顯觀察到該實驗現象. 通過這樣的設計能很好地解釋作平拋運動的小球在水平方向的分運動是勻速直線運動. 需要特別注意的是在進行電磁鐵接線時應將2個線圈按圖4串聯，因為如果將電磁鐵線圈并聯接線，當斷開電源后2個線圈會形成回路，這樣在回路中會產生自感電動勢從而造成斷電后2個小球有時會出現不同時下落的現象，造成演示不成功.

1.立板　2.電磁鐵開關　3.有機板　4.電磁鐵　5.上滑道　6.滑軌　7.金屬小球　8.下滑道　9.電源　10.底座　11.有機擋板圖3　平拋演示儀正面

圖4　電磁鐵線圈接線電路

3.2　驗證平拋運動豎直方向為自由落體運動的實驗裝置改進

儀器背面用來演示平拋運動在豎直方向作自由落體運動，儀器結構如圖5所示. 平拋小球運動的軌道的前端要按照圖5中進行制作，即在有機玻璃管的前端預留放置金屬小球C的位置，再在該位置的左邊鉆一圓孔，圓孔的直徑比金屬小球的直徑稍大，能讓金屬小球B從孔中落下. 在進行演示實驗時電磁鐵斷電，金屬小球B從有機玻璃管中拋出時在管口處與C球碰撞，由于兩球完全相同且發生正碰，所以碰撞后C球作平拋運動，B球作自由落體運動. 與正面結構相同，活動托板4可沿滑軌5上下滑動，這樣可讓小球在不同高度作平拋運動和自由落體運動. 為了克服金屬小球運動時間短，觀察起來困難的缺陷，改進后的平拋運動演示儀在儀器底板上粘了1塊薄鐵板，微動開關8的底部又粘了1塊磁鐵9，可以使微動開關8可以沿鐵板左右移動，讓微動開關用磁鐵剛好粘在金屬小球B和C落下的位置上，這樣當金屬小球B和C落到儀器底板時能使微動開關動作，從而接通延時控制電路使其工作. 當金屬小球碰上微動開關后，由單片機控制的延時電路接通，延時電路使紅色和綠色發光二極管延時3 s后再熄滅，這樣就可通過觀察紅色和綠色發光二極管來判斷B球和C球的落地時間. 如果兩球的落地時間相同則發光二極管同時發光，說明作平拋運動的金屬小球和在豎直方向作自由落體運動的小球下落時間相同，于是可以得出平拋運動的小球在豎直方向作自由落體運動，這比用眼睛直接看和用耳朵直接聽準確得多，也方便得多. 另外在底座木板的前面和右側邊緣安裝“L”型的擋板10，不讓小球落到外面. 圖6為單片機控制的延時電路.

1.磁鐵開關　2.電磁鐵　3.有機玻璃管滑道　4.活動托板　5.滑軌　6.電源　7.電路板　8.微動開關9.永久磁鐵　10.有機擋板圖5　平拋演示儀背面

圖6　單片機控制的延時電路

4改進后演示實驗裝置的優點

裝置對于驗證水平方向的改進有以下優點：第一，圖4的電磁鐵連接設計可以保證2個小球同時釋放. 第二，安裝的活動托板可以改變上方玻璃管的高度，比起教材中的裝置只有固定的高度，這樣可排除由于特殊高度而達到的預期實驗效果. 第三，2個小球最終相碰則可以說明2個小球在水平方向上的運動規律相同，而教材中的裝置則需要通過分析小球的運動軌跡來分析其水平方向的運動情況，改進后的裝置更直觀方便.

裝置對于驗證豎直方向的改進裝有以下優點：第一，安裝的活動托板可以上下移動來改變其軌道的高度，原有的一些儀器由于無法改變其高度，會誤認為所取的高度為特殊高度才能達到預期的實驗效果. 第二，通過觀察2個發光二極管的發光來判斷小球的落地時間相比教材中的裝置單純通過視覺和聽覺來判斷準確得多，觀察也輕松得多. 第三，通過單片機來控制2個發光二極管的熄滅時間，比憑借一瞬間的小球落地聲或者二極管瞬時發光而言，觀察更加方便. 第四，在微動開關下方粘1塊磁鐵，儀器底板粘1薄鐵板就可以讓微動開關在水平方向作用移動，這樣就能保證金屬小球始終能與微動開關相碰，使演示100%成功. 第五，“L”型的擋板用于防止小球落出去，使得實驗裝置更加精妙.

5結束語

改進后的演示儀一方面加強了創新實驗教學的效果，另一方面讓學生更直觀地觀察到平拋運動可分解為水平方向作勻速直線運動，豎直方向作自由落體運動的實驗現象. 實驗操作簡單，實驗現象判斷準確、輕松、容易，演示效果也明顯. 該實驗裝置是將教材中的裝置加以創新，既可以幫助師生自己動手制作教具，又可讓學生明白學習不只是學習書本知識，更重要的是要學會思考和創新，學會利用所學理論知識解決實際問題.

參考文獻：

[1]袁鈴. 簡易平拋運動實驗的改進[J]. 科教文匯，2012(33)：126-127.

[2]陳國雄. 淺談平拋運動實驗的改進[J]. 中學生數理化(高中版 學研版),2011(2)：7.

[3]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材開發中心.普通高中課程實驗教科書·物理·必修2[M]. 北京：人民教育出版社，2004.

[責任編輯：尹冬梅]

Improvement of horizontal projectile device

LI Yan-qiu, DAI Wei, LUO Wei, MA Lan, HUANG Jun

(College of Physical and Electronic Information， China West Normal University, Nanchong 637002, China)

Abstract:Some improvements were introduced to overcome the shortages of the experiment device of demonstrating horizontal projectile motion in teaching materials. In horizontal direction, an electromagnet was used to make two balls move at the same time. After passing through glass tubes with same bending, one ball was horizontally projected, the other was in uniform motion. Finally, two balls would collide with each other. This showed that horizontal projection of horizontal projectile motion is uniform motion. In vertical direction, a time-delay circuit was designed using single chip microprocessor. When the horizontally projected ball and the free-falling ball landed, LEDs would emit red light and green light, respectively, enabled one to judge if the two balls fell to the ground simultaneously, namely one could judge if a horizontally projected object moves like a free-falling body in the vertical direction.

Key words:horizontal projectile movement; uniform motion; free-falling body

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)05-0019-04

通信作者：代偉(1964-),男,四川遂寧人，西華師范大學物理與電子信息學院教授,學士，主要從事大學物理實驗教學與研究.

作者簡介：李燕秋(1991-)，女，四川自貢人，西華師范大學物理與電子信息學院課程與教學論碩士研究生，研究方向為學科教育.

收稿日期：2014-12-03

資助項目：西華師范大學服務基礎教育課改教研重點項目(No.403329)