“研究平拋物體運動”實驗裝置的優化探析

劉心語

摘 要：“研究平拋物體運動”是物理實驗研究中較為重要的實驗，此實驗探討了物體運動規律。目前大多傳統“研究平拋物體運動”實驗裝置無法準確測量出鋼球的平拋運動軌跡，因而得出的實驗結論不夠準確。本文首先分析了以往優化裝置存在的問題，發現以往優化裝置仍然存在無法準確記錄鋼球的位置、實驗時間很難控制且球心位置很難表明等問題，以解決實驗裝置存在的問題為目的，設計出了更為優化的“研究平拋物體運動”實驗裝置。

關鍵詞：平拋物體運動;物理實驗;優化;鋼球位置

“研究平拋物體運動”實驗裝置從最開始提出至今，經過了多次優化，實驗結論的準確性已經大大提升，但是目前很多優化后的實驗裝置仍然存在不足之處，為了能夠更好的探析“研究平拋物體運動”實驗裝置的優化，首先從分析傳統的“研究平拋物體運動”實驗裝置出發，思考優化“研究平拋物體運動”實驗裝置需要注意的問題。

1.傳統中“研究平拋物體運動”的實驗裝置及其缺陷

1.1傳統的實驗裝置及實驗操作

傳統的實驗裝置鋼球沿著滑槽下落，經過一段水平滑槽后做平拋運動，撞擊在滑槽對面的隔板上，鋼球從同一位置下落的運動軌跡是相同的。記錄鋼球從同一位置下落的各個撞擊點并連接各個撞擊點，會發現鋼球的運動軌跡呈拋物線狀。

1.2傳統實驗裝置存在的缺陷

由于鋼球下落是動態的過程，很難準確記錄鋼球經過的各個位置，就算使用筆尖觸碰鋼球來描點的方式也無法準確記錄鋼球的位置，并且鋼球的球心距離更加難以測量。因此最后得到的數據不精確，導致實驗結論存在較大誤差。

2.有關以往優化“研究平拋物體運動”實驗裝置的不足

之前有很多人提出過關于優化“研究平拋物體運動”實驗裝置的思路，其中有人提出過使用移動尺替換傳統開孔卡片的思路，這類改進思路在實際操作中可以很好的實現，但這類思路還是存在不足之處。下面就研究探討采用該類思路改進后的實驗裝置存在的問題，并進一步分析優化“研究平拋物體運動”實驗裝置需要注意的問題。

（1）鋼球在飛落后撞擊隔板時的晃動會導致紙板上產生多個鋼球的位置標記，但是操作很難辨清鋼球第一次下落的確切位置。

（2）實驗中需要多次記錄鋼球下落后移動尺上的水平位置和垂直位置，操作人員需要保證移動尺處于水平狀態才可以確保實驗的精確度。但在實際操作時，會多次變更移動尺的位置，每次調整移動尺使其處于水平狀態無疑是項費時又費力的操作流程，這會導致實驗的時間在一定程度下很難控制，并且實驗的準確性也很難保證。

（3）記錄鋼球位置時，一般記錄的是其球心的位置，顯然，在實際操作中即使采用標尺測量的方法也會存在較大的誤差，操作人員很難準確的記錄球心位置。

3.對“研究平拋物體運動”實驗裝置優化的新思路

3.1實驗裝置的優化

在傳統的實驗裝置兩側加入兩根金屬棒，使其處于水平狀態，并在兩根金屬棒間連接一個垂直的標尺，這種標尺要求可以隨意移動。

實驗裝置還有兩個需要注意的小細節，一是移動尺的寬度必須要大于鋼球的直徑，但只是略大于鋼球直徑。為了有效固定記錄鋼球位置的白紙和其覆蓋的復寫紙，可以在移動尺的上下兩側加上夾板，白紙和復寫紙的寬度與鋼球直徑相同。二是增加兩個鋼球定位器，定位器上的兩個圓孔直徑等于拋體鋼球的直徑，并且定位器的兩個面為垂直，它的作用是有效的記錄鋼球球心位置，從而增加實驗結果的準確性。

3.2具體操作方法

（1）用移動尺兩側的夾板夾緊準備好的白紙（白紙寬度接近鋼球的直徑），并在白紙的上面覆蓋一層復寫紙（也用夾板夾緊）。

（2）調節實驗裝置按鈕，使得斜槽的末端保持水平狀態;固定好隔板，并在隔板的表面覆蓋一張坐標紙。

（3）取下實驗裝置中的兩根金屬桿，將兩根金屬桿套在移動尺兩端的開孔上，并將兩根金屬桿固定在原來的位置上，調整實驗裝置，使得移動尺處于水平狀態。

（4）調節實驗裝置按鈕，固定移動板并使得移動的隔板與重錘線垂直。

（5）讓鋼球從固定的位置沿斜槽下落，記錄下鋼球經過水平滑槽撞擊在移動板上的位置，并記錄下位置為M1。

（6）鋼球撞擊隔板后，將準備好的定位器放在隔板撞擊的點上，定位器的一孔對準撞擊點，另一個孔就是球心的位置，在隔板的坐標紙上記錄下球心位置為N1。

（7）重復上述所有操作，記錄下鋼球落下在移動板上多個撞擊點的位置，記為N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8……

3.3操作注意事項

（1）固定好移動板上的白紙，要確保白紙不會因為鋼球的移動而扭曲甚至滑落。

（2）斜槽傾斜的角度不要太小，太小會導致鋼球落下撞擊在隔板上的印跡不夠明顯;并且鋼球落下的垂直高度也不能太小，原因和斜槽傾斜的角度相同。

（3）復印紙要選取復印效果較好的，從而使得得到的鋼球撞擊痕跡更加顯著。

3.4優化后實驗裝置功能的延伸

優化后的實驗裝置不僅可以更加精確的記錄鋼球平拋移動的位置，還可以研究鋼球豎直方向的運動特點。除此之外，也可以計算出鋼球的初速度，操作方法即多次變更移動板距離水平滑槽的位置，測量出移動板移動的距離和對應鋼球撞擊點的位置，由此計算出鋼球的初速度。

4.結束語

優化“研究平拋物體運動”實驗裝置的思路有很多，目前大多的思路都是從如何準確記錄鋼球移動的位置思考，本文也是從這一點進行思考探究，指出了以往優化裝置存在的問題，并在此基礎上設計了更加優化的實驗裝置。但科學研究的道路是永無止盡的，還可以設計出更為優化的“研究平拋物體運動”實驗裝置，當然這只有通過不斷地思考和實驗才可以實現。

參考文獻

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