圓周運(yùn)動(dòng)速度方向演示儀的設(shè)計(jì)和制作

朱新培 劉余靈

江西省贛州市興國(guó)平川中學(xué)(342400)

為了探究曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向,人教版高中物理必修2用“砂輪”和“鏈球”實(shí)驗(yàn)來(lái)演示圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向[1]。“砂輪”實(shí)驗(yàn)在課堂中演示現(xiàn)象明顯,對(duì)學(xué)生頗具“視覺(jué)沖擊力”,可以達(dá)到較好的課堂效果,但也存在一些不足:①砂輪噴射出的熾熱鐵屑多、速度快、有危險(xiǎn)性;②鐵屑在較大的角度范圍中發(fā)射,運(yùn)動(dòng)對(duì)象不明確,無(wú)法確定軌跡具體來(lái)自哪個(gè)位置,有的鐵屑飛出方向不沿圓周的切線方向,稍欠說(shuō)服力;③現(xiàn)象稍縱即逝,不能將鐵屑的運(yùn)動(dòng)軌跡記錄下來(lái)進(jìn)行分析,不能滿(mǎn)足深度學(xué)習(xí)的要求。“鏈球”實(shí)驗(yàn)也可以在課堂用細(xì)繩連接重物模擬,但也存在難以觀察、無(wú)法記錄、有安全隱患等不足。

李珂等老師用噴墨法探究圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向,墨水從出口射出后在白紙上留下的痕跡描述墨水射出管口時(shí)的速度方向[2],如圖1所示,此實(shí)驗(yàn)雖然彌補(bǔ)了“砂輪”和“鏈球”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無(wú)法記錄的不足,但也存在一些問(wèn)題。首先,由電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)“甩出”墨水,學(xué)生無(wú)法直觀觀察到墨水水滴的運(yùn)動(dòng)。其次,得到的軌跡不連續(xù)、不清晰,物質(zhì)屬性和運(yùn)動(dòng)特征不清晰,很難在學(xué)生心中形成明確的某個(gè)對(duì)象圓周運(yùn)動(dòng)速度方向的物理觀念。

圖1 噴墨法探究圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向

為了克服上述不足,筆者設(shè)計(jì)了一款圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向演示儀,可以很好地實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向演示的教學(xué)要求。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

明確以鋼球?yàn)檠芯繉?duì)象,在一個(gè)較大平面范圍實(shí)現(xiàn)鋼球圓周運(yùn)動(dòng),增強(qiáng)可視性,要能畫(huà)出圓周運(yùn)動(dòng)清晰的軌跡,能控制鋼球的運(yùn)動(dòng)速度,便于觀察,且能隨時(shí)控制鋼球做離心運(yùn)動(dòng),并畫(huà)出離心運(yùn)動(dòng)的軌跡,實(shí)現(xiàn)良好的互動(dòng)性和趣味性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果要科學(xué)美觀,能供課堂深入分析,得出正確的結(jié)論。

1.2 設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),演示儀的核心結(jié)構(gòu)如圖2所示,減速電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝了1個(gè)3D打印的套筒,套筒右側(cè)安裝1根水平套管,套管末端用彈簧頂住1個(gè)磁鐵,可以吸住鋼球,用減速電機(jī)帶動(dòng)鋼球圓周運(yùn)動(dòng)。為了讓鋼球運(yùn)動(dòng)時(shí)留下軌跡,在水平套管上方固定1個(gè)小墨斗,通過(guò)細(xì)管把墨水引導(dǎo)到鋼球的上面,鋼球滾動(dòng)時(shí)就會(huì)在下面的白紙上留下徑跡;為了控制鋼球隨時(shí)能做離心運(yùn)動(dòng),用1個(gè)筆帽做成插銷(xiāo),倒裝在3D套筒中,1根細(xì)繩連接插銷(xiāo)下端和磁鐵,鋼球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中按下插銷(xiāo),把磁鐵向內(nèi)拉進(jìn),遠(yuǎn)離磁鐵,鋼球失去磁鐵的吸引力,就會(huì)做離心運(yùn)動(dòng),釋放插銷(xiāo),在彈簧的作用下,磁鐵又會(huì)被頂回套管末端。

圖2 圓周運(yùn)動(dòng)速度方向演示儀結(jié)構(gòu)圖

2 制作過(guò)程

2.1 所需材料

木質(zhì)底板55 cm×36 cm,JGY370型減速電機(jī)12 V,18650型號(hào)鋰電池(3個(gè))及電池盒,直流電機(jī)調(diào)速器,船型開(kāi)關(guān),3D打印螺栓支架,螺栓M4×40(3套),3D打印套筒,圓形亞克力透明板(外直徑50 cm,內(nèi)孔直徑10 cm),圓形PVC板及豎包邊(外直徑54 cm,內(nèi)孔直徑45 cm),球頭筆帽,細(xì)繩,透明管(長(zhǎng)12 cm,外徑7 mm),彈簧(長(zhǎng)12 cm,外徑5 mm),3D打印小墨斗,輸液管連接針頭處的細(xì)膠管,釹鐵硼磁鐵(厚4 mm,外徑5 mm),鋼球(直徑12 mm)。

2.2 制作過(guò)程

先在底板中央偏左(距左邊20 cm)定好電機(jī)軸心位置,安裝減速電機(jī)。以電機(jī)軸心為中心,畫(huà)1個(gè)半徑為16 cm的圓,在圓上定3個(gè)互成120°的支撐點(diǎn),裝上3個(gè)調(diào)平支架及螺栓。在底板的右下角安裝電池盒、調(diào)速器、開(kāi)關(guān),連上電機(jī)。把圓形亞克力透明板和圓形PVC板用膠水同心組合在一起(PVC板在下面,在圓形亞克力板外邊形成一道寬2 cm的凹槽),平放在3個(gè)調(diào)平螺栓上。再把3D套筒以上的各個(gè)零部件按圖2組裝起來(lái),把3D套筒穿過(guò)亞克力板的圓孔插入電機(jī)軸,整套演示儀就制作完成,如圖3所示。

圖3 圓周運(yùn)動(dòng)速度方向演示儀實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)演示前,首先要對(duì)圓形亞克力托板進(jìn)行調(diào)平,在圓形亞克力托板上鋪1張與亞克力板尺寸相同的帶孔的白紙,把鋼球放置于水平套管的末端,鋼球被磁鐵吸住,打開(kāi)電源開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)速旋鈕,讓電機(jī)帶動(dòng)鋼球緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),觀察水平套管和紙面的高度差,或者觀察鋼球在紙面上壓出的印跡,通過(guò)調(diào)節(jié)亞克力托板下的3個(gè)調(diào)平螺栓,讓鋼球既能在紙面上滾動(dòng),壓出的印跡又要均勻;關(guān)閉電機(jī),接下來(lái)用注射器往墨斗中注入少許墨水,調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)速旋鈕讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),墨水在離心力的作用下沿細(xì)膠管流到鋼球上面,鋼球在紙面上滾動(dòng),就會(huì)在白紙上畫(huà)出做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡;適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)按下軸心處的插銷(xiāo),釋放鋼球,鋼球就會(huì)做離心運(yùn)動(dòng),畫(huà)出沿圓周切線方向運(yùn)動(dòng)的軌跡,鋼球滾到圓形亞克力托板邊沿,落入PVC板邊與豎板間的凹槽中,松開(kāi)插銷(xiāo),磁鐵在彈簧的作用下又被頂回套管末端。

關(guān)閉電機(jī),把鋼球放回水平套管末端,鋼球被磁鐵吸住,再次開(kāi)啟電機(jī),重復(fù)實(shí)驗(yàn),可以在同一張白紙上畫(huà)出鋼球多次離心運(yùn)動(dòng)的軌跡,得到如圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后,可以把3D套筒從減速電機(jī)軸上拔出,取下白紙,借助教學(xué)用幾何三角板等工具在白紙上進(jìn)行分析,得出圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向即為圓周曲線的切線方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4 創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)研究對(duì)象單一明確,物質(zhì)屬性和運(yùn)動(dòng)特征簡(jiǎn)單明了,物理情境清晰,促進(jìn)物理觀念形成。

(2)直觀性,能夠把物體做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡和離開(kāi)圓周后做直線運(yùn)動(dòng)的軌跡都記錄下來(lái),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明了,軌跡清晰,易于分析。

(3)互動(dòng)性好且趣味性強(qiáng),轉(zhuǎn)速可快可慢,可以自主選擇釋放點(diǎn),在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)按下插銷(xiāo),釋放鋼球,讓操作者獲得良好的課堂掌控感。

4.2 優(yōu)點(diǎn)

(1)針對(duì)性強(qiáng),針對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)中圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向的探究,有效地克服了前述3個(gè)實(shí)驗(yàn)的諸多不足。

(2)科學(xué)性強(qiáng),用3個(gè)調(diào)平螺栓,亞克力板平整度好,鋼球被釋放后的軌跡直線性良好,與圓周軌跡相切很精確。

(3)可視性好,演示儀尺寸夠大,借助實(shí)驗(yàn)投影儀可以讓學(xué)生直接觀察到整個(gè)動(dòng)態(tài)演示的過(guò)程,大大提高了實(shí)驗(yàn)的演示效果,給學(xué)生留下了深刻的印象。

(4)操作簡(jiǎn)便,在同一張白紙上可多次實(shí)驗(yàn),記錄鋼球從圓周不同位置離開(kāi)后的直線軌跡,更換白紙?jiān)賹?shí)驗(yàn)也很便捷。

(5)安全性高,沒(méi)有任何人身安全隱患,鋼球被釋放后落入圓形亞克力托板邊沿的凹槽中,實(shí)驗(yàn)器材的安全也有很好的保障。

5 結(jié)語(yǔ)

這套儀器的螺栓調(diào)平系統(tǒng)、插銷(xiāo)加磁鐵的控制系統(tǒng)及小墨斗的上墨系統(tǒng)設(shè)計(jì)巧妙,用在“曲線運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)中,達(dá)到了很好的實(shí)驗(yàn)效果。如果提高轉(zhuǎn)速,當(dāng)磁鐵磁力不夠時(shí),鋼球也會(huì)離開(kāi)磁鐵,做離心運(yùn)動(dòng),也可以說(shuō)明產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)的原因和條件;如果創(chuàng)新傳動(dòng)機(jī)構(gòu),讓鋼球作橢圓軌道運(yùn)動(dòng),甚至可以實(shí)現(xiàn)橢圓軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)在任意一點(diǎn)速度方向的演示,感興趣的教師可以進(jìn)一步研究,使這套演示儀的演示內(nèi)容更具有普遍性和推廣價(jià)值[3]。