创新设计“探究平抛运动规律”实验的滑块

程永活

(安徽省歙县第二中学,安徽黄山 245200)

新课标高中物理(必修2)教材的“探究平抛运动规律”实验中,采用铅笔和一个带有小孔的硬纸片来确定小球平抛运动的位置,虽然能探究出平抛运动规律,但在实验时为了确定一个位置往往要做很多次的试探才能找到,要完成平抛运动的描迹,需花几十分钟,很难在课堂45分钟内完成实验探究,而且误差很大.用频闪照片和光电投影这些现代科技的手段探究又受到条件的限制.为了能在实验中很快地描绘出小球平抛运动的轨迹,减少因确定小球位置的操作给实验探究带来的误差,笔者对实验的滑块进行了如下设计.

实验装置如图1.在注射器的注射针头与针筒之间接一根细长的软塑料管(输液管的前端细管),将注射针头安装在一小段圆铁管中心轴.操作时发现:在圆铁管滚动时注射针头随之滚动,使软塑料管扭转.于是在安装注射针头时用了两个轴承,这样铁管滚动时注射针头就不滚动了.在圆铁管外套两个圆环,控制圆铁管沿斜槽滚动,并且能从水平槽末端水平抛出.在圆铁管即将抛出时,推注射器针筒,红墨水从针头喷出,就在竖直木板的白纸上画出了平抛运动的轨迹.

图1

设计时注意几个问题:

(1)注射针头要很细(用医生做皮试的针头),否则,喷射的水流太大.(2)注射针头剪短并磨平,防止被针头滑伤,而且可以确保水从针头水平喷出.(3)注射针头离竖直木板的距离不能太远.(4)圆铁管平抛运动的过程中,保持软塑料管松弛.

误差分析:圆铁管平抛运动的过程中(不计空气阻力),处于完全失重状态,因此,软塑料管对它没有拉力,因为水流很小,对圆铁管的作用力可以不计.实验误差比教材实验小得多.

该设计能一次性描绘出平抛运动的轨迹,实验误差也很小.材料很容易得到,学生可以通过自己动手制作模型然后探究,学生既学了知识又提高了创新能力,非常符合新课改理念.

为了便于得出平抛运动特点,还可以类似于打点计时器设计一个自行喷水的滑块(装置如图2).

图2

在注射针头前面安装一个可以转动的圆形塑料片,圆形塑料片中心连接转轴,由小型电动机带动,根据圆形塑料片转动周期在塑料片的某一圆周适当打几个圆孔,圆孔要均匀分布在同一圆周,确保喷点的等时性.当圆形塑料片的圆孔转到注射针头前面时,水穿过圆孔喷在竖直木板的白纸上,留下一点;其他时间圆形塑料片把水流阻挡,水喷不到白纸上.这样,就相当于打点计时器,打点周期可以通过圆形塑料片转动周期和圆孔数进行调整.

实验时,拉开注射器推筒注水后,用移动栓卡住,然后将小车放在斜槽上(可以自制便于小车运动的末端水平斜轨道),接通电动机开关,移开移动栓后释放小车,在小车经水平末端后抛出做平抛运动同时,喷出的水滴在白纸上留下5、6个点.这样就不必对轨迹进行数学分析,直接测量这些点之间的水平距离和竖直距离即可得出平抛运动规律.