平拋運動演示儀的改進

趙中華

(河北正定中學 河北 石家莊 050800)

平拋運動是高中物理學的一個重要知識點,做好演示實驗對理解和掌握平拋運動規律十分重要. 原有的實驗儀器只能分別演示平拋運動與水平方向分運動的等時性和與豎直方向自由落體運動的等時性.學生不易理解平拋運動是水平方向的勻速直線運動和豎直方向上的自由落體的合運動.為了解決這個問題，我們改進了原有演示儀器，改進后的儀器，除了具有原來的功能外，還可以同時演示平拋運動與水平方向分運動的等時性和與豎直方向自由落體運動的等時性，有助于學生理解平拋運動規律.

1 制作材料

改進后的演示儀如圖1所示.制作材料包括帶螺釘的底座,力學演示板或其他平板(長90 cm，寬60 cm),坐標紙(與平板面積等大),軌道2個,重錘1個,電磁鐵4個,光電開關1個,繼電器1個,小鐵球4個,學生電源1個,滑動變阻器1個,導線若干等.

圖1 改進后的演示儀

2 制作方法

(1)將坐標紙貼在平板上.

(2)將貼有坐標紙的平板豎直固定在水平底座上.

(3)分別在平板左邊上、下固定兩個平行的槽型軌道1和2(水平部分要與豎直平板的豎直邊垂直，軌道2的水平部分要長些).分別在兩軌道頂端相對各自水平軌道等高處固定電磁鐵.

(4)在軌道1底端側面掛一個重錘(用以檢查軌道末端是否水平，平板是否處于豎直面).

(5)在豎直板上，軌道1水平部分末端的正上方固定光電開關.

(6)在板上面的中央和靠右些的位置固定兩個電磁鐵，再將兩個電磁鐵與滑動變阻器和光電開關繼電器相連接.

改進后的演示儀電路原理圖如圖2所示.

圖2 改進后平拋運動演示儀原理圖

注意：光電開關探頭的中心和右邊兩個被電磁鐵吸住的小球的球心必須要與靜止在軌道1末端小球的球心在同一水平線上.

3 演示方法

(1)調節平拋運動演示儀底座的旋鈕，使得平板處于豎直面，槽型軌道的下部分處于水平方向上.

(2)將軌道上兩個電磁鐵串聯接入電路并各吸住一個鐵球.

(3)將平拋運動演示儀上邊的兩個電磁鐵、光電開關和50 Ω的滑動變阻器連接后與電源相連，并使這兩個電磁鐵也吸住鐵球.

(4)斷開軌道上電磁鐵電路的開關，使得軌道1,2上兩小球同時由靜止開始運動，由于這兩個球下滑的高度相同，它們到達水平軌道的速度相同.當小鋼球經過軌道1的末端時，觸發光電開關對固定在板上端的電磁鐵停止供電，此時,右邊兩個小球同時開始自由下落.軌道2 上的小球繼續在水平軌道上做勻速直線運動.

(5)若平拋運動的小球與自由落體運動的小球相撞，說明平拋運動在豎直方向上的運動可看作是自由落體運動；若平拋運動的小球與沿軌道2做勻速運動的小球相撞，說明平拋運動在水平方向上可看作是勻速直線運動.這樣，就可以同時觀察到，平拋運動與水平方向分運動的等時性和與豎直方向自由落體運動的等時性.

4 教學效果

本儀器是在2011年河北省國培計劃啟動儀式現場課中使用的儀器，能讓學生充分體會平拋運動的豎直和水平分運動的獨立性、等時性，效果明顯.學生便很容易理解小球的平拋運動可以分解為沿水平方向的勻速直線運動和豎直方向上的自由落體運動.隨后，該儀器在我校進入課堂演示實驗.

該實驗與頻閃照相機相結合，還可進一步研究頻閃照片，使學生容易對平拋運動規律有更深入的探究.

5 實驗說明

(1)紅外探測開關內部為晶體管電路結構，所能提供的驅動電流小于200 mA(取決于紅外開關的型號)，而要使鐵球吸附在電磁鐵上的電流應大于1 A(測試值).如此可見,紅外探測開關不足以提供足夠的電流驅動力.繼電器的應用可以解決這個問題，選用的繼電器的動作電流(使繼電器動作的最小電流)為20 mA左右，而其開關S上可通過最大10 A的電流，足以滿足電驅動磁鐵的要求.

(2)50 Ω滑動變阻器在這里起調節電磁鐵電流大小的作用，從而調節電磁鐵磁場的大小,使“自由落體小球”可以正常的吸附和下落.