智能平抛运动演示仪的设计

苗芳　徐平川

1引言

在教科版普通高中课程标准实验教科书物理必修二中对平抛运动的定义是：将物体以一定的初速度沿水平方向抛出，不考虑空气的阻力，物体只在重力作用下所做的运动，叫做平抛运动.平抛运动是一种曲线运动，在分析平抛运动时可以将其分解为水平方向和竖直方向的分运动.水平方向的运动为匀速直线运动，竖直方向的运动为自由落体运动.“研究平抛运动”是高中物理新课标准学生实验中极为重要的探究实验之一.为了研究平抛运动水平与竖直方向的运动情况、描绘平抛运动的轨迹、探究平抛运动的性质，研制了一款新的智能平抛运动演示仪，该演示仪是在传统的平抛仪的基础上，针对其不足而做出的改进.实践表明，该仪器能很好地突破平抛运动教学的重难点，并且操作更简便，效果更明显.

2现有平抛仪的工作原理及存在的不足

图1是常见的平抛运动实验仪—平抛仪，A、B两个轨道用于探究平抛运动在水平方向的分运动，A轨道和C处的电磁铁用于研究平抛运动在竖直方向的分运动.A、B处的两个电磁铁接通电源之后，能分别吸引两个小钢球，断开电源时，两个小球将同时静止释放，滚下相同的高度后分别到达上下两个水平面，上面轨道的小球将被水平抛出，在忽略阻力的情况下，上面轨道被水平抛出的小球将做平抛运动，而下面轨道的小球将在水平方向近似做匀速直线运动.通过对比两个小球每时每刻的运动情况，最后得出平抛运动水平方向的运动为匀速直线运动.但整个实验过程由于所用时间非常短，肉眼便无法看到两个小球每时每刻的运动情况以及所处的位置和所用的时间，所以此平抛仪不利于平抛运动水平方向的研究.

在A轨道边缘处有一个金属片，当A处的小球从某一高度由静止释放，运动至轨道边缘，撞开金属片后水平抛出，同时C处电磁铁断电，小球由静止下落.通过对比两个小球每时每刻的运动情况来判断平抛运动竖直方向的运动为自由落体运动.要成功的得出这一结论，就需要观察两个小球每时每刻所处的位置及运动情况，而此过程所用的时间同样很短，不利于老师和同学们的观察与记录.另外，C处的小球是靠A处的小球运动至轨道边缘撞开金属片后才开始运动的，由于碰撞的动能损失和开关的延迟，造成C处小球下落的时刻和A处小球开始平抛的时刻并不同步，从而使得两个小球不能保持同时从同一高度下落，给实验造成误差.

3智能平抛运动演示仪的设计

在高中物理学习中，平抛运动是学生遇到的第一个曲线运动，是高中物理的主干知识，是历年高考必考内容.对曲线运动的理解一直是一个比较棘手的问题，学生在学习中会遇到很多与自己原有概念相冲突的思维障碍，如何探究平抛运动并对该运动进行分解，才能让复杂的曲线运动转化成简单的直线运动呢？ 现有的平抛仪使学生不易理解平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成，为了解决这个问题，我们改进了现有的平抛仪.改进后的平抛运动演示仪是在现有的平抛仪的基础上加了红外线发射管和光束遮断式感应器及显示屏，能精确的测量与记录平抛运动的小球在运动过程中的轨迹和位置坐标；同时在现有的平抛仪的基础上加入计时计数毫秒仪与速度传感器，这样就可以准确的记录小球下落的每一位置对应的时间以及小球被水平抛出的初速度，同时还能测量重力加速度.这些改进有助于学生更好的学习和理解平抛运动，这是现有的平抛仪所不能做到的.

3.1设计的基本思路

智能平抛运动演示仪是在现有的平抛仪的基础上，针对其不足而做出的改进.首先，为了方便测量其下落的高度，在传统的平抛仪上加上厘米坐标板，并且在竖直和水平方向分别每隔0.5 cm加一个红外线发射管.在竖直和水平的对立面分别加上光束遮断式感应器，让红外线在坐标板上形成网格.小球在平抛运动中会经过其坐标并挡住对应的竖直和水平方向的红外线，对应的光束遮断式感应器形成电脉冲信号，经过集成线路内的PLC时刻记录下（显示屏）小球在运动过程中的位置坐标.

其次，为了能时刻观察小球运动过程中每一坐标所对应的时间，在传统的平抛仪上加一个计时计数毫秒仪与速度传感器.这样既能同时观察小球合运动和水平竖直分运动的等时性，又可以避免传统的平抛运动演示仪因观察和计时而存在的误差.

最后，在小球被水平抛出时的位置加上速度传感器，这样就能测出小球在水平方向的速度.同时在竖直方向上测出其高度和时间，就能测出其重力加速度.

3.2工作原理

智能平抛运动演示仪加入了微动开关，如图2，通过观察小球落地的等时性，得出平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成.该仪器的先进性主要在于：运用红外线发射管和光束遮断式感应器科学的测量与记录平抛运动的小球在运动过程中的轨迹和位置坐标，利用红外线定位网格，使位置的测量更准确；利用计时计数毫秒仪和速度传感器可以记录平抛运动的小球在运动过程中所对应的时间，时间精确到ms，记录的时间将更有说服力，可信度更高，利用光电触发，延迟时间小于0.01 s，使结果更加准确；使用速度传感器可以测出平抛运动的小球被水平抛出时的速度；利用坐标版与计时计数毫秒仪可以测重力加速度.

3.3使用方法

（1）水平方向

在探究其水平方向的运动时，如图2，接通电源，闭合开关，接通平抛运动的小球和水平运动的小球的电磁铁（M1和M2）所在的电路.当两个小球被吸引后，断开开关，两个小球将运动相同的高度后分别经过B1和B2两处速度传感器到达上下两个水平面，通过速度传感器可以测出两个小球的速度.上面平抛运动的小球将被水平抛出，下面的小球将继续沿水平方向运动.然后通过光束遮断式感应器的显示屏读出小球在运动过程中竖直和水平坐标，最后通过计时计数毫秒仪读出对应的时间，这样就可以分别测出平抛运动的小球和水平运动的小球在运动过程中任意时刻的水平位置和速度.通过比较，就可得出小球做平抛运动在水平方向的分运动的运动特征.

（2）竖直方向

在探究平抛运动在竖直方向的分解时，如图2，将吸引竖直方向的电磁铁M3所在的电路的开关关闭，此时竖直方向的小球将被电磁铁所吸引，当平抛运动的小球运动至水平位置，经过通过型感应器时，竖直方向的小球即M3处立即接收到感应信号，M3所在的电路断开，小球随之由静止下落，通过光束遮断式感应器的显示屏读出小球在运动过程中竖直和水平坐标，最后通过计时计数毫秒仪读出对应的时间，这样就可以分别测出平抛运动的小球和竖直下落的小球在竖直方向的位置和速度.通过比较就可得出小球做平抛运动在竖直方向的分运动的运动特征.当测出竖直高度和所对应的时间时，还可推测出重力加速度.

改进后的平抛仪通过引入精密测量长度、时间和速度的手段，一方面提高了实验的精度，另一方面让学生更直观的观察到平抛运动可分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动.实验操作简单，现象明显、清晰、准确，能有效地启迪学生理解平抛运动的规律.设计和制作智能平抛运动演示仪，使之成为中学教学重要的演示仪器，对学生在理解和掌握平抛运动的物理过程至关重要.

【基金项目：西华师范大学基础课改专项（JCKGYB1414），四川省教育厅科研项目（12ZB324）资助】