智能平拋運動演示儀的設計

苗芳　徐平川

1引言

在教科版普通高中課程標準實驗教科書物理必修二中對平拋運動的定義是：將物體以一定的初速度沿水平方向拋出，不考慮空氣的阻力，物體只在重力作用下所做的運動，叫做平拋運動.平拋運動是一種曲線運動，在分析平拋運動時可以將其分解為水平方向和豎直方向的分運動.水平方向的運動為勻速直線運動，豎直方向的運動為自由落體運動.“研究平拋運動”是高中物理新課標準學生實驗中極為重要的探究實驗之一.為了研究平拋運動水平與豎直方向的運動情況、描繪平拋運動的軌跡、探究平拋運動的性質，研制了一款新的智能平拋運動演示儀，該演示儀是在傳統的平拋儀的基礎上，針對其不足而做出的改進.實踐表明，該儀器能很好地突破平拋運動教學的重難點，并且操作更簡便，效果更明顯.

2現有平拋儀的工作原理及存在的不足

圖1是常見的平拋運動實驗儀—平拋儀，A、B兩個軌道用于探究平拋運動在水平方向的分運動，A軌道和C處的電磁鐵用于研究平拋運動在豎直方向的分運動.A、B處的兩個電磁鐵接通電源之后，能分別吸引兩個小鋼球，斷開電源時，兩個小球將同時靜止釋放，滾下相同的高度后分別到達上下兩個水平面，上面軌道的小球將被水平拋出，在忽略阻力的情況下，上面軌道被水平拋出的小球將做平拋運動，而下面軌道的小球將在水平方向近似做勻速直線運動.通過對比兩個小球每時每刻的運動情況，最后得出平拋運動水平方向的運動為勻速直線運動.但整個實驗過程由于所用時間非常短，肉眼便無法看到兩個小球每時每刻的運動情況以及所處的位置和所用的時間，所以此平拋儀不利于平拋運動水平方向的研究.

在A軌道邊緣處有一個金屬片，當A處的小球從某一高度由靜止釋放，運動至軌道邊緣，撞開金屬片后水平拋出，同時C處電磁鐵斷電，小球由靜止下落.通過對比兩個小球每時每刻的運動情況來判斷平拋運動豎直方向的運動為自由落體運動.要成功的得出這一結論，就需要觀察兩個小球每時每刻所處的位置及運動情況，而此過程所用的時間同樣很短，不利于老師和同學們的觀察與記錄.另外，C處的小球是靠A處的小球運動至軌道邊緣撞開金屬片后才開始運動的，由于碰撞的動能損失和開關的延遲，造成C處小球下落的時刻和A處小球開始平拋的時刻并不同步，從而使得兩個小球不能保持同時從同一高度下落，給實驗造成誤差.

3智能平拋運動演示儀的設計

在高中物理學習中，平拋運動是學生遇到的第一個曲線運動，是高中物理的主干知識，是歷年高考必考內容.對曲線運動的理解一直是一個比較棘手的問題，學生在學習中會遇到很多與自己原有概念相沖突的思維障礙，如何探究平拋運動并對該運動進行分解，才能讓復雜的曲線運動轉化成簡單的直線運動呢？ 現有的平拋儀使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的自由落體運動的合成，為了解決這個問題，我們改進了現有的平拋儀.改進后的平拋運動演示儀是在現有的平拋儀的基礎上加了紅外線發射管和光束遮斷式感應器及顯示屏，能精確的測量與記錄平拋運動的小球在運動過程中的軌跡和位置坐標；同時在現有的平拋儀的基礎上加入計時計數毫秒儀與速度傳感器，這樣就可以準確的記錄小球下落的每一位置對應的時間以及小球被水平拋出的初速度，同時還能測量重力加速度.這些改進有助于學生更好的學習和理解平拋運動，這是現有的平拋儀所不能做到的.

3.1設計的基本思路

智能平拋運動演示儀是在現有的平拋儀的基礎上，針對其不足而做出的改進.首先，為了方便測量其下落的高度，在傳統的平拋儀上加上厘米坐標板，并且在豎直和水平方向分別每隔0.5 cm加一個紅外線發射管.在豎直和水平的對立面分別加上光束遮斷式感應器，讓紅外線在坐標板上形成網格.小球在平拋運動中會經過其坐標并擋住對應的豎直和水平方向的紅外線，對應的光束遮斷式感應器形成電脈沖信號，經過集成線路內的PLC時刻記錄下（顯示屏）小球在運動過程中的位置坐標.

其次，為了能時刻觀察小球運動過程中每一坐標所對應的時間，在傳統的平拋儀上加一個計時計數毫秒儀與速度傳感器.這樣既能同時觀察小球合運動和水平豎直分運動的等時性，又可以避免傳統的平拋運動演示儀因觀察和計時而存在的誤差.

最后，在小球被水平拋出時的位置加上速度傳感器，這樣就能測出小球在水平方向的速度.同時在豎直方向上測出其高度和時間，就能測出其重力加速度.

3.2工作原理

智能平拋運動演示儀加入了微動開關，如圖2，通過觀察小球落地的等時性，得出平拋運動是水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的合成.該儀器的先進性主要在于：運用紅外線發射管和光束遮斷式感應器科學的測量與記錄平拋運動的小球在運動過程中的軌跡和位置坐標，利用紅外線定位網格，使位置的測量更準確；利用計時計數毫秒儀和速度傳感器可以記錄平拋運動的小球在運動過程中所對應的時間，時間精確到ms，記錄的時間將更有說服力，可信度更高，利用光電觸發，延遲時間小于0.01 s，使結果更加準確；使用速度傳感器可以測出平拋運動的小球被水平拋出時的速度；利用坐標版與計時計數毫秒儀可以測重力加速度.

3.3使用方法

（1）水平方向

在探究其水平方向的運動時，如圖2，接通電源，閉合開關，接通平拋運動的小球和水平運動的小球的電磁鐵（M1和M2）所在的電路.當兩個小球被吸引后，斷開開關，兩個小球將運動相同的高度后分別經過B1和B2兩處速度傳感器到達上下兩個水平面，通過速度傳感器可以測出兩個小球的速度.上面平拋運動的小球將被水平拋出，下面的小球將繼續沿水平方向運動.然后通過光束遮斷式感應器的顯示屏讀出小球在運動過程中豎直和水平坐標，最后通過計時計數毫秒儀讀出對應的時間，這樣就可以分別測出平拋運動的小球和水平運動的小球在運動過程中任意時刻的水平位置和速度.通過比較，就可得出小球做平拋運動在水平方向的分運動的運動特征.

（2）豎直方向

在探究平拋運動在豎直方向的分解時，如圖2，將吸引豎直方向的電磁鐵M3所在的電路的開關關閉，此時豎直方向的小球將被電磁鐵所吸引，當平拋運動的小球運動至水平位置，經過通過型感應器時，豎直方向的小球即M3處立即接收到感應信號，M3所在的電路斷開，小球隨之由靜止下落，通過光束遮斷式感應器的顯示屏讀出小球在運動過程中豎直和水平坐標，最后通過計時計數毫秒儀讀出對應的時間，這樣就可以分別測出平拋運動的小球和豎直下落的小球在豎直方向的位置和速度.通過比較就可得出小球做平拋運動在豎直方向的分運動的運動特征.當測出豎直高度和所對應的時間時，還可推測出重力加速度.

改進后的平拋儀通過引入精密測量長度、時間和速度的手段，一方面提高了實驗的精度，另一方面讓學生更直觀的觀察到平拋運動可分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動.實驗操作簡單，現象明顯、清晰、準確，能有效地啟迪學生理解平拋運動的規律.設計和制作智能平拋運動演示儀，使之成為中學教學重要的演示儀器，對學生在理解和掌握平拋運動的物理過程至關重要.

【基金項目：西華師范大學基礎課改專項（JCKGYB1414），四川省教育廳科研項目（12ZB324）資助】