平抛运动演示仪的改进

李燕秋，代　伟，罗　微，马　兰，黄　军

(西华师范大学 物理与电子信息学院，四川 南充 637002)

平抛运动演示仪的改进

李燕秋，代伟，罗微，马兰，黄军

(西华师范大学 物理与电子信息学院，四川 南充 637002)

摘要：针对高中物理教科版教材中平抛运动的演示实验装置存在的不足，对平抛运动演示仪进行了改进.该演示仪在水平方向上，利用电磁铁控制2个小球开始运动时间，当小球通过弯度相同的2个玻璃管后，一个做平抛运动，一个做匀速直线运动，最后会相碰，由此说明平抛运动的在水平方向上是匀速直线运动. 在竖直方向上，利用单片机自制了延时电路，当做平抛运动的小球和做自由落体运动的小球落地时，发光二极管会分别发出红光和绿光，通过2个二极管的发光情况可以判断出两小球同时落地，即可以判断出平抛运动的竖直方向上是自由落体运动.

关键词：平抛运动；匀速运动；自由落体

1引言

平抛运动是抛体运动中的特殊情况，物体被抛出时的初速度方向沿水平方向，即物体具有水平初速度，且只在重力作用下所做曲线运动. 在分析平抛运动时可以将平抛运动分解为水平方向和竖直方向的2个分运动. 水平方向的运动为匀速直线运动，竖直方向为自由落体运动. “研究平抛运动”是高中物理新课标学生实验中极为重要的探究实验之一. 为了达到在物理教学中研究平抛运动规律、描绘平抛物体运动轨迹、验证平抛运动是水平向前的匀速直线运动和垂直向下的自由落体运动的合成运动，我们对平抛运动演示仪进行了改进. 改进后的仪器能很好地突破平抛运动教学的重难点，仪器操作简单，演示效果明显.

2原有平抛运动演示仪存在的不足

在高中物理教科版必修2第一章第三节对平抛运动的实验探究中，教材给出的演示竖直方向上的运动情况实验装置如图1所示. 演示时用小锤轻击弹性金属片，金属片把A球沿水平方向抛出，同时B球被松开，自由下落，A，B两球同时开始运动. A球在金属片的作用下获得水平初速度后只在重力作用下运动，故A球做平抛运动. B球被松开后没有任何初速度，只受到重力的作用，故B球做自由落体运动. 观察两球的运动情况，一是看两球是否同时落地，二是听2个小球的落地声是否相同. 显然这2种观察方法都存在一定的缺陷，因为两球下落的时间太短，这样微小精细的判断对于中学生来讲是极其困难的，然而在实验中判断2个小球是否同时落地则是实验判断的核心. 因此用该演示装置相应的实验现象不易观察到. 在演示平抛运动水平方向和垂直方向的运动情况时许多教师采用的是图2所示的双轨平抛运动实验器 J2154. 该仪器存在的不足之处有3点：一是作平抛运动的小球抛出时的高度无法调节，演示时观察到的只有仪器设定的高度，教师演示时无法延伸展开，演示不具普遍性，由此学生难以理解平抛运动在水平方向作匀速直线运动；二是演示竖直方向上的运动情况演示器存在与图1相同的问题；三是仪器没有设置挡板，小球掉下后会散落在地上.

图1　教材中的平抛运动演示仪

图2　双轨平抛运动实验器J2154

3改进的平抛运动演示仪

改进后的平抛运动演示仪的正面用来演示平抛运动在水平方向作匀速直线运动，背面用来演示平抛运动在垂直向下方向作自由落体运动.

3.1　验证平抛运动水平方向为匀速直线运动的实验装置改进

仪器正面用来演示平抛运动在水平方向作匀速直线运动，仪器结构如图3所示，底部10有4个调节螺丝可将仪器调水平，可以升降的有机板3通过2根滑轨6安装在立板上，上滑道5和下滑道8均用内径为20 mm的有机玻璃管弯制而成，小球则选用16 mm的钢球. 在弯制有机玻璃管时先要根据轨道的角度用木板把弯管模具做好，这样才能保证弯出的有机玻璃管滑道角度完全相同，从而保证作平抛运动的小球和作水平运动的小球初速度相同. 为了防止有机玻璃管在弯曲时变扁应在弯管前将一螺旋弹簧放入管中，有机玻璃一般在70 ℃以上就会变软，所以弯管时用电吹风对管子弯曲部分加热即可. 上、下轨道中的小球的释放由电磁铁控制. 在进行演示时无论将上轨道放置在何高度，上、下轨道中的小球断电释放后都能相碰，说明上下2个轨道中的金属小球水平方向的运动时间相同，学生能明显观察到该实验现象. 通过这样的设计能很好地解释作平抛运动的小球在水平方向的分运动是匀速直线运动. 需要特别注意的是在进行电磁铁接线时应将2个线圈按图4串联，因为如果将电磁铁线圈并联接线，当断开电源后2个线圈会形成回路，这样在回路中会产生自感电动势从而造成断电后2个小球有时会出现不同时下落的现象，造成演示不成功.

1.立板　2.电磁铁开关　3.有机板　4.电磁铁　5.上滑道　6.滑轨　7.金属小球　8.下滑道　9.电源　10.底座　11.有机挡板图3　平抛演示仪正面

图4　电磁铁线圈接线电路

3.2　验证平抛运动竖直方向为自由落体运动的实验装置改进

仪器背面用来演示平抛运动在竖直方向作自由落体运动，仪器结构如图5所示. 平抛小球运动的轨道的前端要按照图5中进行制作，即在有机玻璃管的前端预留放置金属小球C的位置，再在该位置的左边钻一圆孔，圆孔的直径比金属小球的直径稍大，能让金属小球B从孔中落下. 在进行演示实验时电磁铁断电，金属小球B从有机玻璃管中抛出时在管口处与C球碰撞，由于两球完全相同且发生正碰，所以碰撞后C球作平抛运动，B球作自由落体运动. 与正面结构相同，活动托板4可沿滑轨5上下滑动，这样可让小球在不同高度作平抛运动和自由落体运动. 为了克服金属小球运动时间短，观察起来困难的缺陷，改进后的平抛运动演示仪在仪器底板上粘了1块薄铁板，微动开关8的底部又粘了1块磁铁9，可以使微动开关8可以沿铁板左右移动，让微动开关用磁铁刚好粘在金属小球B和C落下的位置上，这样当金属小球B和C落到仪器底板时能使微动开关动作，从而接通延时控制电路使其工作. 当金属小球碰上微动开关后，由单片机控制的延时电路接通，延时电路使红色和绿色发光二极管延时3 s后再熄灭，这样就可通过观察红色和绿色发光二极管来判断B球和C球的落地时间. 如果两球的落地时间相同则发光二极管同时发光，说明作平抛运动的金属小球和在竖直方向作自由落体运动的小球下落时间相同，于是可以得出平抛运动的小球在竖直方向作自由落体运动，这比用眼睛直接看和用耳朵直接听准确得多，也方便得多. 另外在底座木板的前面和右侧边缘安装“L”型的挡板10，不让小球落到外面. 图6为单片机控制的延时电路.

1.磁铁开关　2.电磁铁　3.有机玻璃管滑道　4.活动托板　5.滑轨　6.电源　7.电路板　8.微动开关9.永久磁铁　10.有机挡板图5　平抛演示仪背面

图6　单片机控制的延时电路

4改进后演示实验装置的优点

装置对于验证水平方向的改进有以下优点：第一，图4的电磁铁连接设计可以保证2个小球同时释放. 第二，安装的活动托板可以改变上方玻璃管的高度，比起教材中的装置只有固定的高度，这样可排除由于特殊高度而达到的预期实验效果. 第三，2个小球最终相碰则可以说明2个小球在水平方向上的运动规律相同，而教材中的装置则需要通过分析小球的运动轨迹来分析其水平方向的运动情况，改进后的装置更直观方便.

装置对于验证竖直方向的改进装有以下优点：第一，安装的活动托板可以上下移动来改变其轨道的高度，原有的一些仪器由于无法改变其高度，会误认为所取的高度为特殊高度才能达到预期的实验效果. 第二，通过观察2个发光二极管的发光来判断小球的落地时间相比教材中的装置单纯通过视觉和听觉来判断准确得多，观察也轻松得多. 第三，通过单片机来控制2个发光二极管的熄灭时间，比凭借一瞬间的小球落地声或者二极管瞬时发光而言，观察更加方便. 第四，在微动开关下方粘1块磁铁，仪器底板粘1薄铁板就可以让微动开关在水平方向作用移动，这样就能保证金属小球始终能与微动开关相碰，使演示100%成功. 第五，“L”型的挡板用于防止小球落出去，使得实验装置更加精妙.

5结束语

改进后的演示仪一方面加强了创新实验教学的效果，另一方面让学生更直观地观察到平抛运动可分解为水平方向作匀速直线运动，竖直方向作自由落体运动的实验现象. 实验操作简单，实验现象判断准确、轻松、容易，演示效果也明显. 该实验装置是将教材中的装置加以创新，既可以帮助师生自己动手制作教具，又可让学生明白学习不只是学习书本知识，更重要的是要学会思考和创新，学会利用所学理论知识解决实际问题.

参考文献：

[1]袁铃. 简易平抛运动实验的改进[J]. 科教文汇，2012(33)：126-127.

[2]陈国雄. 浅谈平抛运动实验的改进[J]. 中学生数理化(高中版 学研版),2011(2)：7.

[3]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材开发中心.普通高中课程实验教科书·物理·必修2[M]. 北京：人民教育出版社，2004.

[责任编辑：尹冬梅]

Improvement of horizontal projectile device

LI Yan-qiu, DAI Wei, LUO Wei, MA Lan, HUANG Jun

(College of Physical and Electronic Information， China West Normal University, Nanchong 637002, China)

Abstract:Some improvements were introduced to overcome the shortages of the experiment device of demonstrating horizontal projectile motion in teaching materials. In horizontal direction, an electromagnet was used to make two balls move at the same time. After passing through glass tubes with same bending, one ball was horizontally projected, the other was in uniform motion. Finally, two balls would collide with each other. This showed that horizontal projection of horizontal projectile motion is uniform motion. In vertical direction, a time-delay circuit was designed using single chip microprocessor. When the horizontally projected ball and the free-falling ball landed, LEDs would emit red light and green light, respectively, enabled one to judge if the two balls fell to the ground simultaneously, namely one could judge if a horizontally projected object moves like a free-falling body in the vertical direction.

Key words:horizontal projectile movement; uniform motion; free-falling body

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)05-0019-04

通信作者：代伟(1964-),男,四川遂宁人，西华师范大学物理与电子信息学院教授,学士，主要从事大学物理实验教学与研究.

作者简介：李燕秋(1991-)，女，四川自贡人，西华师范大学物理与电子信息学院课程与教学论硕士研究生，研究方向为学科教育.

收稿日期：2014-12-03

资助项目：西华师范大学服务基础教育课改教研重点项目(No.403329)