平拋運動演示儀的制作和使用

一、制作思路

教材中有關平拋運動的實驗包括：(1)演示水平分運動是勻速直線運動；(2)演示豎直分運動是自由落體運動；(3)描繪平拋運動的軌跡；(4)驗證動量守恒。教材中驗證(1)、(2)的實驗是用不同的實驗儀器來獲得的，我們想能否把這幾個實驗用同一個實驗裝置來演示，并且一次性完成，這樣可保持學生學習新知識思路的連續性，增強學習效果。按照這個思路，我們加入光電傳感器制作了平拋運動演示儀如圖1、圖2所示。

二、儀器實物圖

實驗材料說明：①長木板；②有機玻璃；③擋槽；④斜槽軌道；⑤斜桿；⑥玩具激光；⑦光敏電阻；⑧電磁鐵；⑨木槽；⑩電源，還有金屬球、工具盒、導線若干、重垂線、一個挖有半圓孔的塑料卡片、復寫紙、圓規、刻度尺、白紙等。

三、實驗原理

（1）重垂線原理：重力的方向是豎直向下的。

（2）電磁鐵原理：漆包線緊繞在鐵桿上時，當漆包線通過電流時，鐵桿兩端產生磁性；當漆包線沒有通過電流時，鐵桿兩端磁性消失。

（3）光控電路圖及工作原理：如圖3，當光敏電阻接受光照時，它的電阻值減小，b點電位升高，三極管處于導通狀態，繼電器通過電流，繼電器的開關閉合，電磁鐵工作，吸住小球。當光敏電阻無光照時，它的電阻值變大，b點電位降低，三極管處于截止狀態，繼電器的開關斷開，電磁鐵不工作，釋放小球。

四、實驗儀器制作

（1）演示平拋運動水平分方向是勻速直線運動的儀器制作。

采用兩長木板，用蝴蝶片及斜桿調節使它們相互垂直，水平長木板加四個可調節的螺絲帽做為腳，調節木板水平。在豎直長木板上固定兩個木槽，以固定兩個斜槽軌道，上斜槽軌道與木槽間用螺絲帽固定，高低可以調節，固定的松緊程度可以調節斜槽軌道末端的水平軌道的水平程度。在兩個斜槽軌道上分別固定著兩個電磁鐵，，使這兩電磁鐵并聯，之后接在電源上，由同一個開關控制。開關閉合時，兩金屬球分別被吸住，開關斷開后，兩小球同時釋放，如圖1會在水平槽相撞。為使球相撞后不致于落到地面，在水平槽四周粘上高約3厘米的有機玻璃檔片。

（2） 關于演示平拋運動豎直分方向的分運動是自由落體運動的實驗儀器制作。

在上面裝置的基礎上，在兩個斜槽的水平軌道旁對應處分別鋸成一個長約1cm，寬約為0.5cm的缺口，插入規格為30cm×50cm的有機玻璃板，有機玻璃板底部用兩只螺絲通過鉆孔把有機玻璃固定在底部的檔片上。在上斜槽軌道出口處固定一個重垂線。在豎直玻璃板另一側固定一個電磁鐵，調節高度，連接電源，使其吸住鐵球時，鐵球重心與鐵球在上斜槽水平軌道時重心在同一個高度（如圖1）。在上斜槽軌道水平出口處兩側分別固定光敏電阻及玩具激光（如圖2），光敏電阻與玻璃板上的電磁鐵連接在一個光控電路中，電源電壓為6V。當小球滑落到水平槽末端擋住激光時，光敏電阻變大，繞在豎直玻璃板上的電磁鐵線圈電流減小，磁性減小，吸引小球的力減小，小球就自由下落。實驗時兩個小球同時下落，兩小球都會同時落到擋槽。在玻璃板底部設置可移動高低的擋槽，調節檔槽的高度，這兩個小球都會同時落到擋槽。

五、實驗操作

（1）按四（1）、（2）演示平拋運動水平分方向是勻速直線運動和演示平拋運動豎直分方向的分運動是自由落體運動的實驗。

（2）描繪平拋運動軌跡。按圖1裝置安裝好，在有機玻璃朝金屬球運動一面，用夾子固定一張白紙，白紙要平整。在上斜槽軌道水平出口處末端外靠近白紙那一面，用一個可以移動的小鐵片固定一條重垂線，重垂線長約40厘米，不要碰到擋槽就可以了。掛重垂線處距離金屬球出口處正好一個球半徑，在重垂線上距離斜槽軌道水平出口處末端，向上一個金屬球半徑處記O點，這一點就是金屬球作平拋運動的起點。用鉛筆在白紙上畫出O點，重垂線的位置，這條線的方向就是金屬球作平拋運動的豎直方向。畫出在起點處與豎直方向垂直的方向就是金屬球作平拋運動的水平方向。閉合電源開關，金屬球放在上面斜槽軌道上，讓上面的電磁鐵吸引住，然后斷開電源開關，電磁鐵因為沒有電而失去磁性，金屬球從軌道上落下，準備一個塑料卡片，長約5厘米，寬約3厘米，在長邊的中央剪一個直徑約2厘米的半圓，讓金屬球從軌道上落下時正好從塑料卡片的半圓孔落下，用鉛筆沿半圓孔圓心處在白紙上點一個點，依此方法，離斜槽軌道水平出口處末端O點處開始沿水平方向約2厘米點一個點，直到接近擋槽處就可以了。每次金屬球都要從等高處，讓上面的電磁鐵吸引住，然后斷開電源開關，金屬球靜止的從軌道上落下。最后在白紙上把這些點用鉛筆用光滑的曲線連接起來。這條光滑的曲線就是平拋運動軌跡。

（3）驗證動量守恒定律：需要兩個大小相同質量不同的金屬球，用天平分別測量它們的質量，一個實心金屬球的質量為m1，一個空心金屬球的質量為m2，就可以了，按圖1裝置，在上斜槽軌道水平出口處末端一個半徑處安裝好重垂線，在擋槽上先鋪上白紙再鋪上復寫紙，重垂線末端對準復寫紙處用鉛筆點一個點，在白紙上的點記為O點。把空心金屬球靜止的放在斜槽軌道水平出口處末端，把實心金屬球放在上面斜槽軌道上，讓上面的電磁鐵吸引住，然后斷開電源開關，電磁鐵因為沒有電而失去磁性，金屬球從軌道上落下，碰到水平處的空心金屬球后，兩個球以不同速度落到擋板上，重復約五次實驗。再拿走空心金屬球，把實心金屬球放在上面斜槽軌道上，從等高處從靜止落下，落到復寫紙上，重復約五次實驗，這樣就完成實驗操作。

接下來就是數據處理：取下白紙，在白紙上會留下三個黑斑，黑斑是金屬球下落到復寫紙上印下的痕跡，用圓規畫圓正好把黑斑圈起來，標出三個圓心的位置，距離O點由近到遠分別用A，B，C表示。用刻度尺測量出OA，OB，OC的長度。其中OB就是只有一個金屬球下落時印下的痕跡，OA，OC分別是實心金屬球碰到空心金屬球下落時印下的痕跡。不同的金屬球從軌道水平出口處末端下落到擋板的復寫紙上的時間都相同，記為t。只有一個金屬球下落碰到復寫紙瞬間水平速度記為vb，實心金屬球碰到空心金屬球下落碰到復寫紙瞬間水平速度分別記為va ， vc。 因為動量守恒定律m1vb=m1va+m2vc ，可以寫成m1OB/t=m1OA/t +m2OC/t ， 即：m1OB=m1OA+m2OC， 由實驗數據得出左邊= m1OB，右邊= m1OA+m2OC，在實驗誤差范圍內，算出左邊的結果等于右邊的結果就能驗證動量守恒。

通過課堂教學驗證，本實驗準確度高，操作方便，教學效果明顯。教師可通過實驗器材以及原理的介紹，使學生對初中電磁知識再次復習，同時也激發學生探究實驗制作的興趣。

（注：本裝置榮獲2009年第七屆福建省優秀自制教具三等獎，制作論文榮獲第二屆全國中學理科實驗教學論文三等獎。）

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文