平拋運動演示儀的自制與創新

史香川丁慶紅

1.北京市蘋果園中學 北京 100144 2.北京教育學院石景山分院 北京 100043

平拋運動演示儀的自制與創新

史香川1丁慶紅2

1.北京市蘋果園中學 北京 100144 2.北京教育學院石景山分院 北京 100043

人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理?必修2》在《實驗：研究平拋運動》一節中，教材的安排順序是：首先設法描繪出平拋運動的軌跡，然后判斷其軌跡是否是拋物線，進而再求出平拋物體的初速度。由此可見，本實驗成功的關鍵是獲得一條既準確又清晰的平拋運動軌跡。

教材中提供的3種實驗方案，各有優點，又有各自的不足之處：案例1具有簡便、直觀的特點,但用鉛筆試探描繪小球可能經過的位置，誤差大，且需多次嘗試才可能成功；案例2取材簡單,但在課堂上噴水不太好控制，且由于空氣阻力的作用，軌跡會逐漸偏離平拋曲線；案例3中使用的數碼照相機或數碼攝像機,卻不是每個學校（特別是廣大的農村學校）都易于獲得的。

針對上述分析,并結合教學實際情況,我們對該實驗進行了改進和創新,使實驗效果得到了優化。

一、自制教具的實驗原理

不考慮小球的轉動情況，做平拋運動的小球，其重心的軌跡如果是圖1中的O-A-B-C,則可畫出小球最右端切點的軌跡O1-A1-B1-C1,從圖中的幾何關系可以知道，這兩條圖線的形狀是完全一致的，只是后者在前者的基礎上向右平移了小球半徑的長度，所以我們要研究小球的運動性質，只需研究軌跡O1-A1-B1-C1就可以了。

圖1

平拋運動可以分解成水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動。要得到小球最右端切點的軌跡O1-A1-B1-C1,我們可以在小球正前方豎放一個與小球運動平面相垂直的接球板，讓運動的小球與接球板相撞，利用復寫紙，把碰撞點記錄在白紙上（參看圖1中的豎虛線）。接球板首先放在O1處，該位置為平拋的初始位置，從軌道某位置由靜止釋放小球，利用復寫紙印下該點，定為坐標原點；然后把接球板從O1位置水平向右移動到A1，從軌道同一位置由靜止釋放小球，則可以利用復寫紙印出第二個點；再把接球板從A1位置水平向右移動到B1，從軌道同一位置由靜止釋放小球，則會印出第三個點……但如果只是把接球板C向右平移，則在白紙上只能顯示出豎直方向的位移，不能顯示出水平方向的位移，如圖2所示。怎樣能把水平方向的位移也同時顯示出來呢？我們應該在把接球板C向右移動一段距離的同時再把它向紙里（或紙外）移動相等的距離（注意：每次移動的方向要一致）。

圖2

實驗過程中，把接球板沿水平方向向右移動距離L的同時需把該板向紙內（或紙外）移動相等的距離L。豎直接球板每次向紙內（或紙外）移動距離L實際上是起到一個掃描作用，使得在同樣時間內掃描的距離等于小球在水平方向運動的實際距離。

二、實驗裝置

實驗裝置主要由斜槽軌道及支架A、水平底板B、豎直接球板C、接球板底座D和接球盒E五部分組成，如圖3所示。

A的斜槽軌道用現有的碰撞實驗的軌道，附帶鉛垂線、小球、固定裝置等。其支架用3cm×2cm的不銹鋼方管焊接而成，其高度以固定好斜槽軌道后小球平拋能打在接球板頂端以下2cm處為宜。

圖3

水平底板B是40cm×40cm的不銹鋼板，在其上面上對稱地焊接30cm×2cm×1.5cm的不銹鋼方管作為凸軌道，在其下面用輔助材料加固防止面板變形，接球板底座D可在其上左右移動，同時在B的前面貼有水平刻度尺，在其下面四角對稱地裝上四個調水平螺釘。

底座D用不銹鋼板做一個40cm×3cm×4cm的上端不封口框架，其上面開口的尺寸能使豎直板C可插入并可在其上前后移動；在其兩端下面對稱地開兩個凹槽，間距及尺寸以其能在B的軌道上靈活地左右移動為宜。底座上也有刻度（如圖4，這是從右方拍攝的），裝有接球盒（用海綿做成），防止球拋出后到處滾動。

圖4

豎直板C是40cm×30cm的有機玻璃平板，其下端置入40cm×3cm×2cm的不銹鋼方管內，為接球板，其位置可以前后、左右移動，白紙（或坐標紙）和復寫紙可以固定在上面。

該實驗裝置的關鍵部件是接球板C和底座D，只有這兩部分結構適當，才能既保證接球板C能前后、左右推拉移動，又能使小球打在接球板上時裝置穩定。底座D的結構圖，如圖5所示，接球板C的結構圖，如圖6所示，幾處相互關聯處的放大圖，如圖7所示。

圖5

圖6

圖7

三、使用方法

1.將本教具放在實驗桌上,調節水平底板上的調水平螺釘使底板B水平。然后把斜槽軌道固定在支架上，調整裝置，用小球檢查斜槽軌道的末端是否水平，確保小球離開軌道的水平部分后做平拋運動。再把覆蓋復寫紙的白紙鋪貼在豎直的接球板C上,用夾子固定好。

2.調整底座和接球板，使硬板位置適當，剛好能使小球要離開斜槽軌道的位置（所在的點）印在白紙上，選定該點為坐標原點。借助于重垂線，從坐標原點畫出豎直向下的Y軸。

3.把底座沿底板B的軌道水平向右（參考圖3的放法）移動一段較短的距離L，同時把接球板C沿底座向紙內（遠離操作者的方向）移動同樣的一段距離L，讓小球從斜槽軌道的某一位置由靜止釋放，在白紙上打下一個點。

4.重復步驟3（多次），這樣就得到小球平拋運動的若干軌跡點。注意每次都要讓小球從斜槽軌道的同一位置由靜止釋放。

5.取下白紙，過原點做Y軸的垂線，即可得到X軸。用平滑的曲線描繪出平拋物體的軌跡曲線，即可進行后續其他研究。

我們用自制的教具做實驗描繪平拋物體的運動軌跡,實驗的穩定性、可操作性和可重復性都非常好。

四、自制教具的特點

1.該教具由于有幾處軌道裝置，能推能拉，可使實驗過程由實驗者靈活控制、點跡的多少由實驗者根據需要選取、操作方便，省去了反復觀察再試觸、描點的麻煩。既可以方便教師做演示，也可以作為學生在課堂上分組實驗的儀器。

2.該教具相當于把大部分學校現有的研究平拋運動的（留痕法）儀器中的固定豎直接球板巧妙旋轉90o，變成左右、前后可移動的接球板，使原來的小球與接球板“擦肩而過”變為直接打在接球板上（親密接觸），這樣打出的點跡清晰、準確。完成坐標變換，符合新課程用數學方法解決物理問題的理念。

3.實驗裝置美觀，實驗的穩定性好，可操作性強，失誤率低，可重復性好。

4.制作材料易得，結構簡單，成本低；接球板底座處有接球盒，易于回收小球。

五、適用范圍

該教具用于人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理?必修2》“實驗：研究平拋運動”中獲得平拋運動的軌跡。既可以作為教師演示儀器，也可以作為學生分組的實驗儀器。

[1] 普通高中課程標準實驗教科書物理(必修2)（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2006

[2] 普通高中課程標準實驗教科書物理(必修2)教師教學用書（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2007

史香川，本科，中教一級。丁慶紅，本科，中教高級，高中物理教研員。