平拋運動演示儀的創新與自制

劉慧娟 馬曉光

(魯東大學物理與光電工程學院 山東 煙臺 264025)

我國在2010年7月制定了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》，綱要提出，要求“著力提高學生的學習能力、實踐能力和創新能力，教育學生學會動手動腦”“注重學思結合，倡導參與式教學，幫助學生學會學習.激發學生的好奇心，培養學生的學習興趣和愛好，營造獨立思考、自由探索、勇于創新的良好環境”[1].2017年教育部制定的《普通高中物理課程標準》指出“實驗是高中物理學習的重要環節，是培養學生物理學科核心素養的重要途徑和方式”“要求通過實驗，探究并認識平拋運動的規律；會用運動合成與分解的方法分析平拋運動；體會將復雜運動分解為簡單運動的物理思想”[2].因此,通過實驗探究平拋運動規律的過程尤其重要，自制教具在此起到重要作用.

1 問題提出

在物體只受重力的情況下，以一定初速度水平拋出，這時物體所做的運動稱為平拋運動.學生在學習平拋運動之前學習過一維的直線運動，而平拋運動是二維的曲線運動，這增加了學生理解平拋運動的難度，縱覽教材不難看出，幫助學生直觀地理解平拋運動、掌握其運動規律是學習曲線運動的重中之重.

1.1 教材中平拋運動演示裝置

人教版《物理·必修2》第五章第3節“參考案例”中提供的演示裝置如圖1所示[3].其中圖1(a)實驗裝置有明顯不足之處，一是整個實驗過程所用時間很短，用肉眼很難觀察到小球的運動，只能通過兩小球的落地聲判斷其是否同時落地.但是人耳能分辨出兩個聲音的時間間隔約為0.1 s，理由不充分.二是此裝置無法描繪小球做平拋運動的運動軌跡，不能直觀地呈現在學生面前.圖1(b)可以通過描跡法描繪運動軌跡，但是無法與自由落體運動和勻速直線運動進行對比，現象不直觀.

(a)

1.2 現有平拋運動演示裝置

在與自制教具相關的課程中了解到，目前平拋運動教具所用開關為電磁鐵.查閱相關資料得知，教學中常用的演示平拋運動水平和豎直方向運動的教具如圖2所示[4].

圖2 平拋運動演示儀J2154

該演示裝置存在以下缺點：(1)該演示儀是通過電磁鐵控制小球同時運動的，眾所周知，電磁鐵由導線纏繞而成，對電源損害過大，易發生危險；(2)該裝置依然不能直觀描繪平拋運動的運動軌跡，小球是否同時運動依然需要依靠肉眼直接觀看或者耳朵聽聲音來判斷.

2 自制教具裝置描述

針對上述問題，筆者利用生活中的各種零部件自制了平拋運動演示裝置.如圖3所示，本教具的組成部分主要由木板、軌道、聯動擋板、扭轉彈簧、磁性小球、磁性畫板、觸碰開關、燈泡、導線和供電電源組成.

(a)

2.1 導軌

如圖3(a)所示，導軌由20 mm壓線槽蓋制作而成，壓線槽蓋具有很強的可塑性，直徑為20 mm的磁性小球在導軌上滾動時的摩擦力很小，可忽略不計.制作導軌時，要保證導軌傾斜部分傾斜角度相同，末端圈出位置要水平，彎曲位置處在同一水平面內.

2.2 聯動擋板開關

如圖3所示，聯動擋板由家用細PVC水管及其配件組成.抬高擋板，球1和球2同時下落，兩小球到達水平軌道的豎直高度相同，從而實現平拋運動和勻速直線運動同時發生，并且保證了二者初速度相等.

2.3 扭轉彈簧開關

如圖4所示，球1運動到軌道末端時觸碰扭轉彈簧，此時彈簧轉動，球3自由下落，與此同時球1做平拋運動，在下落之前兩小球在同一水平面內，從而保證兩球下落高度相同.最關鍵的一點是，實現了平拋運動和自由落體運動同時發生.

圖4 扭轉彈簧開關

2.4 磁性畫板

磁性畫板是兒童涂鴉所用的磁性板，因此磁性小球的運動軌跡可以在上面顯示出來，可反復利用.

2.5 觸碰開關和燈泡

如圖3所示，觸碰開關為中學物理電學實驗中最常見的一種開關，便宜且容易獲取.裝置中3個小球下落位置處分別有3個開關，3個開關分別控制3個燈泡，小球落下時，與之相對應的燈泡發光.如果燈泡同時亮起，則說明對應小球同時落地.由于人眼能分辨出兩個畫面的時間間隔約為0.04 s，把“聽”轉換成“看”，變得方便準確.燈泡為“5 V，3 W”直流LED燈，配上USB接頭后，供電電源可選擇手機充電器、充電寶等，便于攜帶.

3 實驗演示

3.1 演示平拋運動的水平分運動

利用聯動擋板，控制平拋運動和勻速直線運動同時發生，做平拋運動的小球運動軌跡由磁性畫板記錄.具體操作步驟如下.

(1)如圖5所示，接通電源，抬高擋板，球1和球2同時下落，運動到軌道末端時，球1以一定初速度水平拋出，在忽略空氣阻力的情況下，球1只受重力作用，因此做平拋運動，同時球2做勻速直線運動.球1和球3到達水平軌道的豎直高度相同，從而保證球1平拋運動的初速度等于球3勻速直線運動的初速度.

(2)在如圖5所示的裝置中，使球1做平拋運動，與此同時磁性畫板描繪其運動軌跡，球2做勻速直線運動.

圖5 研究平拋運動的水平分運動

(3)球1落下，球2滾動到觸碰開關位置，兩球同時觸碰與之對應的開關，使之閉合，可以觀察到1號和2號燈泡同時發光.

通過燈泡同時亮起這一明顯實驗現象可以得出，做平拋運動的球1和做勻速直線運動的球2相同時間內的水平位移相同，我們知道合運動與分運動具有同時性，于是便可以得出平拋運動水平方向的分運動是勻速直線運動.

3.2 演示平拋運動的豎直分運動

對于平拋運動的豎直分運動，同平拋運動的水平分運動類似，不同之處是豎直分運動通過扭轉彈簧來控制平拋運動和自由落體運動在同一高度同時發生.具體操作步驟如下.

(1)接通電源，抬高擋板，球1下落，當此球運動到水平軌道末端時，觸碰扭轉彈簧，此時彈簧轉動，與它在同一水平高度的球3自由下落，在忽略阻力的情況下，球1將做平拋運動，球3做自由落體運動.

(2)如圖6所示，球1做平拋運動，與此同時磁性畫板描繪其運動軌跡，球3做自由落體運動.

圖6 研究平拋運動的豎直分運動

(3)球1和球3同時落下，同時觸碰開關，與之對應的1號和3號燈泡同時發光.

同樣的，通過燈泡同時亮起這一明顯實驗現象可以得出，做平拋運動的球1和做自由落體運動的球3同時落地，二者在相同時間內的豎直位移相同，于是便可以得出平拋運動豎直方向的分運動是自由落體運動.

在整個實驗過程中，可以明顯看到在磁性畫板上呈現的平拋運動的運動軌跡是一條拋物線，實驗現象直觀明了.做實驗時還可以錄制視頻，之后將其播放速度調慢，很明顯地觀察到球1做平拋運動水平方向的分運動和球2做勻速直線運動具有等時性，球1豎直方向的分運動和球3做自由落體運動具有等時性，實驗效果顯而易見.

4 優點和不足

4.1 優點

(1)通過聯動擋板開關和扭轉彈簧開關，舍棄了電磁繼電器，使得操作更加簡單，實驗過程安全可靠.

(2)以往要描繪運動軌跡需要多次實驗確定幾個點，操作繁瑣耗時長，本教具中用磁性畫板描繪運動軌跡，直觀明了.

(3)使用生活中日常所見的材料制作教具，簡單易得、價格便宜，使學生真正體會到“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的思想，并且該裝置經久耐用.

4.2 不足

小球體積大，磁性畫板的分辨率不高，因此在磁性畫板上描繪的軌跡較粗.