平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的改進(jìn)

趙中華

(河北正定中學(xué) 河北 石家莊 050800)

平拋運(yùn)動(dòng)是高中物理學(xué)的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn),做好演示實(shí)驗(yàn)對(duì)理解和掌握平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分重要. 原有的實(shí)驗(yàn)儀器只能分別演示平拋運(yùn)動(dòng)與水平方向分運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性和與豎直方向自由落體運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性.學(xué)生不易理解平拋運(yùn)動(dòng)是水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向上的自由落體的合運(yùn)動(dòng).為了解決這個(gè)問題，我們改進(jìn)了原有演示儀器，改進(jìn)后的儀器，除了具有原來的功能外，還可以同時(shí)演示平拋運(yùn)動(dòng)與水平方向分運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性和與豎直方向自由落體運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性，有助于學(xué)生理解平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

1 制作材料

改進(jìn)后的演示儀如圖1所示.制作材料包括帶螺釘?shù)牡鬃?力學(xué)演示板或其他平板(長(zhǎng)90 cm，寬60 cm),坐標(biāo)紙(與平板面積等大),軌道2個(gè),重錘1個(gè),電磁鐵4個(gè),光電開關(guān)1個(gè),繼電器1個(gè),小鐵球4個(gè),學(xué)生電源1個(gè),滑動(dòng)變阻器1個(gè),導(dǎo)線若干等.

圖1 改進(jìn)后的演示儀

2 制作方法

(1)將坐標(biāo)紙貼在平板上.

(2)將貼有坐標(biāo)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(gè)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(zhǎng)些).分別在兩軌道頂端相對(duì)各自水平軌道等高處固定電磁鐵.

(4)在軌道1底端側(cè)面掛一個(gè)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(guān).

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

改進(jìn)后的演示儀電路原理圖如圖2所示.

圖2 改進(jìn)后平拋運(yùn)動(dòng)演示儀原理圖

注意：光電開關(guān)探頭的中心和右邊兩個(gè)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(diào)節(jié)平拋運(yùn)動(dòng)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(gè)電磁鐵串聯(lián)接入電路并各吸住一個(gè)鐵球.

(3)將平拋運(yùn)動(dòng)演示儀上邊的兩個(gè)電磁鐵、光電開關(guān)和50 Ω的滑動(dòng)變阻器連接后與電源相連，并使這兩個(gè)電磁鐵也吸住鐵球.

(4)斷開軌道上電磁鐵電路的開關(guān)，使得軌道1,2上兩小球同時(shí)由靜止開始運(yùn)動(dòng)，由于這兩個(gè)球下滑的高度相同，它們到達(dá)水平軌道的速度相同.當(dāng)小鋼球經(jīng)過軌道1的末端時(shí)，觸發(fā)光電開關(guān)對(duì)固定在板上端的電磁鐵停止供電，此時(shí),右邊兩個(gè)小球同時(shí)開始自由下落.軌道2 上的小球繼續(xù)在水平軌道上做勻速直線運(yùn)動(dòng).

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

4 教學(xué)效果

本儀器是在2011年河北省國(guó)培計(jì)劃啟動(dòng)儀式現(xiàn)場(chǎng)課中使用的儀器，能讓學(xué)生充分體會(huì)平拋運(yùn)動(dòng)的豎直和水平分運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性、等時(shí)性，效果明顯.學(xué)生便很容易理解小球的平拋運(yùn)動(dòng)可以分解為沿水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向上的自由落體運(yùn)動(dòng).隨后，該儀器在我校進(jìn)入課堂演示實(shí)驗(yàn).

該實(shí)驗(yàn)與頻閃照相機(jī)相結(jié)合，還可進(jìn)一步研究頻閃照片，使學(xué)生容易對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律有更深入的探究.

5 實(shí)驗(yàn)說明

(1)紅外探測(cè)開關(guān)內(nèi)部為晶體管電路結(jié)構(gòu)，所能提供的驅(qū)動(dòng)電流小于200 mA(取決于紅外開關(guān)的型號(hào))，而要使鐵球吸附在電磁鐵上的電流應(yīng)大于1 A(測(cè)試值).如此可見,紅外探測(cè)開關(guān)不足以提供足夠的電流驅(qū)動(dòng)力.繼電器的應(yīng)用可以解決這個(gè)問題，選用的繼電器的動(dòng)作電流(使繼電器動(dòng)作的最小電流)為20 mA左右，而其開關(guān)S上可通過最大10 A的電流，足以滿足電驅(qū)動(dòng)磁鐵的要求.

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