多功能平拋運動實驗裝置的創新設計與實驗

焦政翰

(青海師范大學物理與電子信息工程學院 青海 西寧 810008)

田建民

(青海師范大學物理與電子信息工程學院 青海 西寧 810008;高原科學與可持續發展研究院 青海 西寧 810008)

平拋運動是高中物理必選課程第二冊曲線運動與萬有引力定律主題下的重要物理模型,2020年版普通高中物理課標要求: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[1].研究平拋運動的規律,重點要討論平拋運動的速度、平拋運動的位移與軌跡.教材首先在實驗探究平拋運動的特點基礎上,進一步對平拋運動的規律進行了理論推導.這一設計表明,實驗在探究平拋運動的規律中所發揮的重要教學價值.因此,選擇操作簡單、現象明顯的實驗裝置能夠提升課堂實驗操作效率,助力學生科學探究能力的培養.

1 教材實驗方案和裝置的分析

人教版普通高中物理教科書必修第二冊中,提供了兩種探究平拋運動特點的實驗方案[2].如圖1所示,利用頻閃拍照技術獲取小球做平拋運動的頻閃照片,記錄小球水平方向和豎直方向的位移隨時間變化的具體數據,獨立分析水平方向和豎直方向小球的運動規律.圖2為使用兩種實驗裝置進行探究的示意圖.如圖2(a)所示,用小錘擊打彈性金屬片,A球做平拋運動;同時B球下落,做自由落體運動,比較兩小球落地時間的先后,探究平拋運動豎直分運動的特點.如圖2(b)所示,將鋼球從斜槽某一高度釋放,從水平末端飛出做平拋運動,落在水平擋板N上.上下調節擋板N,通過多次實驗,在白紙上留下多個印記點,并用光滑曲線將其連接,得到小球平拋運動的軌跡,進而利用運動學知識探究平拋運動水平運動的特點.

圖1 小球做平拋運動的頻閃照片

圖2 探究平拋運動特點的兩種實驗裝置

以上兩種方案在課堂教學中都有著廣泛的應用,但通過實際操作,兩種實驗方案也顯露出一些不足.

(1)利用頻閃照相技術拍攝實驗過程,操作難度較大,產生的圖片文件多,數據處理麻煩,實驗精度較低,且頻閃照相需要在黑暗環境中進行,不便于實驗教學的開展.

(2)圖2(a)所示裝置通過兩個小球下落撞擊地面的聲音對豎直方向的運動進行描述,但操作發現由于小球重力原因,很難在金屬片與擋板之間將其卡穩,容易發生掉落.

(3)圖2(b)所示裝置進行實驗時需要重復多組,還需控制每一次小球釋放的高度相同,實驗操作繁雜、耗時長,并且實驗演示過程時間很短,很難通過肉眼直觀觀察小球做平拋運動時的軌跡.

為了完善教材中實驗裝置的不足,筆者創新設計多功能持續性平拋運動實驗裝置.

2 裝置的設計與制作

2.1 裝置的制作材料

利用CAD軟件繪制的創新實驗裝置示意圖如圖3所示.

圖3 多功能平拋運動裝置示意圖

制作所需的主要材料有:透明有機玻璃板、有機玻璃圓管、有機玻璃彎頭、鋁合金雙軸心直線SGR導軌(L=50cm)、7字形鎖SGB滑塊、小鐵球、電磁鐵、導線、開關、直流電源、抽水裝置、儲水槽、4分出水口5mm開關、橡膠軟管、硬質泡沫板、透明塑料坐標紙(30cm×60cm)、刻度貼紙、白板筆等.

2.2 實驗裝置的制作

2.2.1 制作裝置正面

(1)透明有機玻璃板豎直固定于硬質泡沫板上.在有機玻璃板上打孔,并用螺絲將鋁合金導軌豎直安裝在有機玻璃板左側.

(2)裁切相同長度的有機玻璃圓管,彎頭分別安裝在兩個圓管一端.利用熱熔膠將兩個組裝好的圓管軌道固定在滑塊上,并且保證兩個軌道彎頭管口水平.滑塊豎直插入導軌中,基本完成傾斜軌道的制作.

(3)將兩個5V電磁鐵串聯在直流電源兩端,電路閉合電磁鐵有磁性將兩個鐵球吸引,然后放置在傾斜圓管軌道口.

(4)為防止兩鐵球發生碰撞后滾落,在硬質泡沫板底部周圍固定擋板.

2.2.2 制作裝置背面

(1)為了使用方便,利用單片機HT66F004、電泵等部件搭建了可充電式電動抽水裝置.電動抽水系統由HT66F004控制模塊、外設模塊和供電模塊組成.其中控制模塊是8位具有高性能精簡指令集的Flash單片機HT66F004,其具有多個定時器模塊用于PWM輸出、單脈沖輸出、捕捉輸入等,可以用來控制LED系統和電泵驅動等;外設模塊主要由按鍵、LED燈和電泵組成,主要用于驅動和指示抽水系統的工作狀況;供電系統主要包括兩部分,分別為電壓檢測及充電檢測,電壓檢測用于監測當前電源中的電量情況,充電檢測為電源充電提供保護.電動抽水裝置搭建框圖如圖4所示.

圖4 電動抽水裝置搭建框圖

(2)利用有機玻璃板制作盛放水泵的盒子和兩個儲水槽.在盒子側邊和底部開孔,將抽水裝置安裝在內部,盒子整體固定在滑塊上.金屬導軌用直角金屬支架豎直安裝在硬質泡沫板一端,將滑塊插入導軌.

(3)在儲水槽1和金屬導軌上粘貼塑料刻度紙,便于讀取水柱射出的初始高度和水平方向射出的距離.同時在有機玻璃板上粘貼透明塑料坐標紙,便于確定坐標,繪制平拋運動的軌跡.

3 實驗操作與數據處理

3.1 水平方向的運動

打開控制電磁鐵電路的開關,電磁鐵通電時有磁性,將吸引小鐵球.并將兩個電磁鐵同鐵球一起分別放置在上下傾斜圓管管口處.斷開開關,電磁鐵的磁性消失,兩個小球同時在傾斜圓管軌道中下滑,滑出軌道彎頭.若不計空氣阻力和摩擦力,上方鐵球做平拋運動,下方鐵球做勻速直線運動.實驗者能夠觀察到兩個小球發生碰撞的現象,聽見兩個小球相碰的聲音.滑動滑塊改變上方小球做平拋運動的高度,發現不論高度如何變化,兩鐵球都會發生碰撞.進行多組實驗,得出結論:兩個鐵球在水平方向的位移相同,即上方做平拋運動的鐵球在水平方向做勻速直線運動.

3.2 豎直方向的運動

為了使平拋運動狀態持續地進行,選用一股細小的水流,讓其水平持續射出.若將水流分割為很小的水柱段,每一段都可視為質點.因此,將小球的平拋過程轉換為無數個連續的質點平拋運動,能夠實現對平拋軌跡的持續性演示[4].

將抽水裝置的橡膠管放入儲水槽1中,并在儲水槽1中注入足夠的水.如圖5所示,打開抽水裝置和出水開關,形成一股持續噴出的細小水流.用白板筆在透明有機玻璃板背面的坐標紙上標記水流噴出的初始位置,并建立直角坐標系.如圖6所示,在坐標紙上從初始位置開始依次在水平方向選取等間隔的多個點,分別標記為x1、x2、x3、….以x1、x2、x3、…為橫坐標,在坐標紙上描出與噴出的水柱上等高的一系列對應點,其對應的縱坐標標記為y1、y2、y3、….

圖5 實驗裝置演示水柱的噴射

圖6 實驗操作獲取的坐標紙

實驗1中,探究得出平拋運動水平方向的分運動為勻速直線運動.初速度為零的勻加速直線運動在相同時間間隔內的位移之比為s1:s2:s3:…=12∶22∶32∶….若y1:y2:y3:…=12∶22∶32∶…則可以說明噴出的水柱豎直方向的運動為自由落體運動.實驗數據如表1所示,各點縱坐標之比接近12∶22∶32:…,故平拋運動豎直方向的分運動為自由落體運動.

表1 實驗測得x、y的具體數值

3.3 平拋運動水平初速度的計算

由實驗1和實驗2已經證明了平拋運動水平方向的分運動是勻速直線運動,豎直方向的分運動是自由落體運動.水平方向勻速直線運動的速度也可以通過兩種方案計算獲得.

表2 方案1的實驗數據

表3 方案2的實驗數據

圖7 方案2測算平拋運動水平初速度的操作

3.4 不同初速度平拋運動軌跡的演示

通過實驗1證實了平拋運動水平方向的分運動為勻速直線運動,水柱噴出的高度一定時,水柱中各小段做平拋運動的時間也相等.如圖8所示,調整出水開關的閥門,不斷增大水柱的水平初速度,其在水平方向射出的位移隨之增大.

圖8 不同初速度平拋運動軌跡的演示

3.5 不同高度平拋運動軌跡的演示

通過實驗2證實了平拋運動豎直方向的分運動為自由落體運動,水柱噴出的水平初速度一定.如圖9所示,調整滑塊不斷減小水柱的噴出高度,水柱中各小段運動時間也不斷減小,其在水平方向射出的位移隨之減小.

圖9 不同高度平拋運動軌跡的演示

3.6 驗證平拋運動軌跡是拋物線

同實驗1,用白板筆在透明有機玻璃板背面的坐標紙上標記水流噴出的初始位置,并建立直角坐標系.透過有機玻璃板,參考水柱的流動曲線,任意選取如表4所示的多個點.如圖10所示,利用Origin軟件繪制散點圖,使用軟件已有函數y=axb進行模擬,擬合得到參數a=0.544,b=1.97.擬合函數與二次函數極為接近,所以證實平拋運動軌跡是拋物線.

表4 實驗選取點的坐標 cm

圖10 Origin擬合平拋運動軌跡

4 多功能平拋運動實驗裝置的優勢

(1)利用電磁鐵電路的通斷,控制平拋運動小球和勻速直線運動小球運動的同時性,從視覺和聽覺獲取信息,探究平拋運動水平方向的分運動.

(2)持續水平噴射的細小水柱替換小球,實現平拋運動軌跡的持續性演示,并結合運動學規律,定量討論了平拋運動豎直方向的分運動.

(3)調整出水開關和滑塊高度,能夠演示不同初速度和不同高度平拋運動軌跡的變化,通過現象的分析,加深學生對平拋運動規律的認識.

(4)透過有機玻璃板,參考水柱的軌跡,可以便捷地選取坐標,繪制平拋運動軌跡.

5 結束語

實驗器具的改進與開發總是針對教學主題或教學內容,利用生活與社會資源設計的物理實驗總體上要適合實際課堂教學,利用人的感官直接感知或借助技術手段能夠間接接觸感知物理現象,輔助抽象物理概念和規律的建構整合.開展教具的設計與制作,不僅能夠提升教師的知識水平、創新思維、專業素養,而且通過自制教具開展課堂教學,能夠打造出具有特色的教學環境,通過立體、直觀的實驗現象有效激發學生的科學探究欲望,拓展物理學習視野,助推物理學科核心素養發展.