平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的創(chuàng)新與自制

劉慧娟 馬曉光

(魯東大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 山東 煙臺(tái) 264025)

我國(guó)在2010年7月制定了《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》，綱要提出，要求“著力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，教育學(xué)生學(xué)會(huì)動(dòng)手動(dòng)腦”“注重學(xué)思結(jié)合，倡導(dǎo)參與式教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí).激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好，營(yíng)造獨(dú)立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的良好環(huán)境”[1].2017年教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出“實(shí)驗(yàn)是高中物理學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑和方式”“要求通過實(shí)驗(yàn)，探究并認(rèn)識(shí)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；會(huì)用運(yùn)動(dòng)合成與分解的方法分析平拋運(yùn)動(dòng)；體會(huì)將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分解為簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的物理思想”[2].因此,通過實(shí)驗(yàn)探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程尤其重要，自制教具在此起到重要作用.

1 問題提出

在物體只受重力的情況下，以一定初速度水平拋出，這時(shí)物體所做的運(yùn)動(dòng)稱為平拋運(yùn)動(dòng).學(xué)生在學(xué)習(xí)平拋運(yùn)動(dòng)之前學(xué)習(xí)過一維的直線運(yùn)動(dòng)，而平拋運(yùn)動(dòng)是二維的曲線運(yùn)動(dòng)，這增加了學(xué)生理解平拋運(yùn)動(dòng)的難度，縱覽教材不難看出，幫助學(xué)生直觀地理解平拋運(yùn)動(dòng)、掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律是學(xué)習(xí)曲線運(yùn)動(dòng)的重中之重.

1.1 教材中平拋運(yùn)動(dòng)演示裝置

人教版《物理·必修2》第五章第3節(jié)“參考案例”中提供的演示裝置如圖1所示[3].其中圖1(a)實(shí)驗(yàn)裝置有明顯不足之處，一是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程所用時(shí)間很短，用肉眼很難觀察到小球的運(yùn)動(dòng)，只能通過兩小球的落地聲判斷其是否同時(shí)落地.但是人耳能分辨出兩個(gè)聲音的時(shí)間間隔約為0.1 s，理由不充分.二是此裝置無法描繪小球做平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，不能直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前.圖1(b)可以通過描跡法描繪運(yùn)動(dòng)軌跡，但是無法與自由落體運(yùn)動(dòng)和勻速直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)象不直觀.

(a)

1.2 現(xiàn)有平拋運(yùn)動(dòng)演示裝置

在與自制教具相關(guān)的課程中了解到，目前平拋運(yùn)動(dòng)教具所用開關(guān)為電磁鐵.查閱相關(guān)資料得知，教學(xué)中常用的演示平拋運(yùn)動(dòng)水平和豎直方向運(yùn)動(dòng)的教具如圖2所示[4].

圖2 平拋運(yùn)動(dòng)演示儀J2154

該演示裝置存在以下缺點(diǎn)：(1)該演示儀是通過電磁鐵控制小球同時(shí)運(yùn)動(dòng)的，眾所周知，電磁鐵由導(dǎo)線纏繞而成，對(duì)電源損害過大，易發(fā)生危險(xiǎn)；(2)該裝置依然不能直觀描繪平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，小球是否同時(shí)運(yùn)動(dòng)依然需要依靠肉眼直接觀看或者耳朵聽聲音來判斷.

2 自制教具裝置描述

針對(duì)上述問題，筆者利用生活中的各種零部件自制了平拋運(yùn)動(dòng)演示裝置.如圖3所示，本教具的組成部分主要由木板、軌道、聯(lián)動(dòng)擋板、扭轉(zhuǎn)彈簧、磁性小球、磁性畫板、觸碰開關(guān)、燈泡、導(dǎo)線和供電電源組成.

(a)

2.1 導(dǎo)軌

如圖3(a)所示，導(dǎo)軌由20 mm壓線槽蓋制作而成，壓線槽蓋具有很強(qiáng)的可塑性，直徑為20 mm的磁性小球在導(dǎo)軌上滾動(dòng)時(shí)的摩擦力很小，可忽略不計(jì).制作導(dǎo)軌時(shí)，要保證導(dǎo)軌傾斜部分傾斜角度相同，末端圈出位置要水平，彎曲位置處在同一水平面內(nèi).

2.2 聯(lián)動(dòng)擋板開關(guān)

如圖3所示，聯(lián)動(dòng)擋板由家用細(xì)PVC水管及其配件組成.抬高擋板，球1和球2同時(shí)下落，兩小球到達(dá)水平軌道的豎直高度相同，從而實(shí)現(xiàn)平拋運(yùn)動(dòng)和勻速直線運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生，并且保證了二者初速度相等.

2.3 扭轉(zhuǎn)彈簧開關(guān)

如圖4所示，球1運(yùn)動(dòng)到軌道末端時(shí)觸碰扭轉(zhuǎn)彈簧，此時(shí)彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)，球3自由下落，與此同時(shí)球1做平拋運(yùn)動(dòng)，在下落之前兩小球在同一水平面內(nèi)，從而保證兩球下落高度相同.最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)了平拋運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生.

圖4 扭轉(zhuǎn)彈簧開關(guān)

2.4 磁性畫板

磁性畫板是兒童涂鴉所用的磁性板，因此磁性小球的運(yùn)動(dòng)軌跡可以在上面顯示出來，可反復(fù)利用.

2.5 觸碰開關(guān)和燈泡

如圖3所示，觸碰開關(guān)為中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常見的一種開關(guān)，便宜且容易獲取.裝置中3個(gè)小球下落位置處分別有3個(gè)開關(guān)，3個(gè)開關(guān)分別控制3個(gè)燈泡，小球落下時(shí)，與之相對(duì)應(yīng)的燈泡發(fā)光.如果燈泡同時(shí)亮起，則說明對(duì)應(yīng)小球同時(shí)落地.由于人眼能分辨出兩個(gè)畫面的時(shí)間間隔約為0.04 s，把“聽”轉(zhuǎn)換成“看”，變得方便準(zhǔn)確.燈泡為“5 V，3 W”直流LED燈，配上USB接頭后，供電電源可選擇手機(jī)充電器、充電寶等，便于攜帶.

3 實(shí)驗(yàn)演示

3.1 演示平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)

利用聯(lián)動(dòng)擋板，控制平拋運(yùn)動(dòng)和勻速直線運(yùn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生，做平拋運(yùn)動(dòng)的小球運(yùn)動(dòng)軌跡由磁性畫板記錄.具體操作步驟如下.

(1)如圖5所示，接通電源，抬高擋板，球1和球2同時(shí)下落，運(yùn)動(dòng)到軌道末端時(shí)，球1以一定初速度水平拋出，在忽略空氣阻力的情況下，球1只受重力作用，因此做平拋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)球2做勻速直線運(yùn)動(dòng).球1和球3到達(dá)水平軌道的豎直高度相同，從而保證球1平拋運(yùn)動(dòng)的初速度等于球3勻速直線運(yùn)動(dòng)的初速度.

(2)在如圖5所示的裝置中，使球1做平拋運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)磁性畫板描繪其運(yùn)動(dòng)軌跡，球2做勻速直線運(yùn)動(dòng).

圖5 研究平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)

(3)球1落下，球2滾動(dòng)到觸碰開關(guān)位置，兩球同時(shí)觸碰與之對(duì)應(yīng)的開關(guān)，使之閉合，可以觀察到1號(hào)和2號(hào)燈泡同時(shí)發(fā)光.

通過燈泡同時(shí)亮起這一明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出，做平拋運(yùn)動(dòng)的球1和做勻速直線運(yùn)動(dòng)的球2相同時(shí)間內(nèi)的水平位移相同，我們知道合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)具有同時(shí)性，于是便可以得出平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng).

3.2 演示平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)

對(duì)于平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)，同平拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)類似，不同之處是豎直分運(yùn)動(dòng)通過扭轉(zhuǎn)彈簧來控制平拋運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)在同一高度同時(shí)發(fā)生.具體操作步驟如下.

(1)接通電源，抬高擋板，球1下落，當(dāng)此球運(yùn)動(dòng)到水平軌道末端時(shí)，觸碰扭轉(zhuǎn)彈簧，此時(shí)彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)，與它在同一水平高度的球3自由下落，在忽略阻力的情況下，球1將做平拋運(yùn)動(dòng)，球3做自由落體運(yùn)動(dòng).

(2)如圖6所示，球1做平拋運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)磁性畫板描繪其運(yùn)動(dòng)軌跡，球3做自由落體運(yùn)動(dòng).

圖6 研究平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)

(3)球1和球3同時(shí)落下，同時(shí)觸碰開關(guān)，與之對(duì)應(yīng)的1號(hào)和3號(hào)燈泡同時(shí)發(fā)光.

同樣的，通過燈泡同時(shí)亮起這一明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出，做平拋運(yùn)動(dòng)的球1和做自由落體運(yùn)動(dòng)的球3同時(shí)落地，二者在相同時(shí)間內(nèi)的豎直位移相同，于是便可以得出平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向的分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng).

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，可以明顯看到在磁性畫板上呈現(xiàn)的平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條拋物線，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明了.做實(shí)驗(yàn)時(shí)還可以錄制視頻，之后將其播放速度調(diào)慢，很明顯地觀察到球1做平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的分運(yùn)動(dòng)和球2做勻速直線運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性，球1豎直方向的分運(yùn)動(dòng)和球3做自由落體運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性，實(shí)驗(yàn)效果顯而易見.

4 優(yōu)點(diǎn)和不足

4.1 優(yōu)點(diǎn)

(1)通過聯(lián)動(dòng)擋板開關(guān)和扭轉(zhuǎn)彈簧開關(guān)，舍棄了電磁繼電器，使得操作更加簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)過程安全可靠.

(2)以往要描繪運(yùn)動(dòng)軌跡需要多次實(shí)驗(yàn)確定幾個(gè)點(diǎn)，操作繁瑣耗時(shí)長(zhǎng)，本教具中用磁性畫板描繪運(yùn)動(dòng)軌跡，直觀明了.

(3)使用生活中日常所見的材料制作教具，簡(jiǎn)單易得、價(jià)格便宜，使學(xué)生真正體會(huì)到“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”的思想，并且該裝置經(jīng)久耐用.

4.2 不足

小球體積大，磁性畫板的分辨率不高，因此在磁性畫板上描繪的軌跡較粗.