利用黑板作图的平抛实验演示仪*

李钊萌 王 磊

平抛运动在物理教材第四章《曲线运动》第二节，此前学生已经学习过一维上的运动学和力学以及结合二者的牛顿运动定律。而曲线运动是学生将之前学习过的内容由一维展开为二维甚至三维，维度的增加使学生理解极其困难，所以要以具体的问题帮助学生理解。教材中给出的第一个具体的曲线运动例子就是平抛，从教学上看能否帮助学生理解平抛就成为学生学习曲线运动的关键。

平抛教学的理论内容抽象，必须要借助实验仪器才能帮助学生研究平抛问题，目前国内课堂上用到的平抛实验仪器主要有两种：平抛演示仪与平抛竖落仪[1]。

图1 平抛演示仪

图2 平抛竖落仪

这两种仪器都有自身的缺陷和不足，使用平抛演示仪能很好地描绘平抛轨迹，适合学生分组实验。但仪器过于繁重而且背板面积小不适于课堂展示，而且实验过程也过于复杂耗时。第二种平抛竖落仪只能说明平抛的竖直运动时间问题而不能用于研究平抛的轨迹。所以目前在平抛实验教学上基本处于黑板粉笔演示或者视频演示的层面上。为解决这一教学现状在此介绍了一种利用磁体磁力[2]将实验设备贴于铁质黑板上的平抛实验演示装置。该装置利用黑板作为背板画图，图像大方，轨迹精确，显著提升平抛实验的课堂教学效果。

一、实验装置

本设计所述用于高中物理平抛运动实验课堂演示所用仪器，其整体结构如图3所示。该装置整体由两部分组成：斜面轨道部分(如图4所示)与接球槽部分(如图5所示)。

图3 平抛仪效果图

图4 斜面轨道

图5 接球槽

斜面轨道部分(如图4所示)的主体为带球道凹槽的斜面轨道1，斜面下方连接弧形轨道8，弧形轨道8连接水平轨道9，水平轨道9内装有水平尺3，整个轨道外侧内嵌于轨道固定连接的圆柱永磁体2。斜面轨道左上方两侧装有定球尺7(123789各部分为固定整体)，定球尺7上有不同段位的多个凹槽，隔断片5可以放在不同的凹槽内来调整球位置的高低(以上各部分材料应由非磁性材料如塑料、钢化玻璃铸成)，钢球6被用永磁体4吸在隔断片5下方。

接球槽部分(如图5所示)主体为槽壳11，槽壳11下侧内嵌圆柱永磁体10，槽壳内部填装条型橡皮泥12。

本设计的简要工作原理：将斜面轨道部分吸在铁制黑板上(如效果图6所示)，利用水平尺3来保证轨道末端水平。将钢球6利用永磁体4吸在隔断片5上，调节隔断片5的卡位后移开永磁体4让钢球6自由沿轨道滚下由轨道末端水平部分9水平抛出得到合适的抛物线(如图5所示)。观察钢球6的大体轨迹，把接球槽吸在黑板上钢球轨迹经过的位置，使槽内的起到缓冲作用的橡皮泥12迎接小球，使小球砸在橡皮泥12内并陷入其中，得到小球在黑板上的位置并用粉笔标记。大体沿着小球轨迹移动接球槽重复以上操作得到多个小球在黑板上的位置(如图6所示)，用粉笔曲线连接得到一条抛物线示范研究。

图6 平抛仪贴于黑板实验效果图

二、装置设计的使用方式

1.平抛曲线的简单演示

将斜面轨道贴于黑板上，利用水平尺保持末端水平，将接球槽贴于适当的位置以保证能够接住小球，操作仪器释放小球使小球落入接球槽中，小球的运动轨迹就是一条平抛曲线，调节释放小球的高度可以得到不同的小球平抛轨迹，这样可以比较不同的初速度对应的平抛曲线形状。

2.平抛曲线的精确描绘

将斜面轨道贴于黑板上，利用水平尺保持末端水平，在某一个高度上释放小球，观察小球抛物线的大体位置，在黑板上粗略记录平抛曲线的形状。把接球槽贴于黑板上粗略记录的平抛曲线处，在同一高度上再次释放小球，小球落入接球槽内，用粉笔精确记录小球位置，再次沿着粗略的平抛曲线移动接球槽重复上述实验直到精确记录的小球位置足够需要后，沿着记录点描绘小球运动轨迹即可得相对精确的平抛曲线。

3.其他抛物线的演示

将斜面轨道贴于黑板上，保持末端上扬即可得向上斜抛小球曲线轨迹，改变轨道末端角度并保持小球同一个高度释放，可得同一初速度大小不同初速度方向的斜抛轨迹，也可以进一步画出精确曲线。保持轨道末端角度不变，改变小球的释放高度可得同一初速度方向不同初速度大小的斜抛轨迹，也可进一步通过接球槽描绘出精确斜抛曲线。

三、本设计的优点

本设计的目的是提供一种应用于物理实验教学中的平抛实验演示仪器，该发明解决了目前平抛实验仪器结构复杂、操作不便、价格昂贵、实验效果不明显、实验率低等问题。相对于目前的实验装备，本设计有如下优点：(1)本设计以简单的结构、方便的操作可在黑板上得到相对精确的平抛曲线；(2)巧妙利用现在使用广泛的铁质黑板为依托背板，可使平抛轨迹更大，教学效果更加明显，更适用于现代课堂教学；(3)本设计不仅可以演示平抛曲线，也可以演示斜抛曲线并且可得到精确的曲线轨迹，有助于学生对斜抛的进一步学习；(4)本设计制作成本较低，容易普及推广到各个地方学校；(5)本设计结实耐用，不易损坏，使用周期长。本设计一旦应用会大大提升平抛实验的教学效果，进而提升平抛教学的课堂效率。