基于智能手机的平抛运动轨迹演示仪

罗慧 杨小芳

摘   要：电容式触摸屏的透明玻璃夹层中含有特殊金属导电物质ITO，教具将手机与另一块电容屏平行放置形成平行板电容器，当小球靠近手机屏幕做平抛运动时，无需接触手机也可以同步显示小球的运动轨迹，具有一次成像、原理简单、现象明显、易于推广的优点。

关键词：平抛运动轨迹;自制教具;智能手机

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）4-0046-2

探究平抛运动的实验是平抛运动教学的基础和重要环节，而平抛运动的规律以及通过轨迹推算平抛运动的初速度等运动参量是建立在描绘出平抛运动轨迹的基础之上的。常用的平抛运动轨迹获取的方法有传统手动描绘点迹[1-2]、观察水平管中喷出的水流[1][3][4]以及利用二维平面运动传感器在计算机中显示轨迹[1][5]等，存在有的需多次实验、有的无法留下痕迹、有的原理不直观且成本较高等问题。经过笔者的思考与实践，设计出一套利用智能手机直接显示金属小球平抛运动轨迹的器材，具有一次成像、原理简单、成本低廉等优点，得到轨迹后还可利用多媒体技术对轨迹图片进行平抛运动规律的研究。

1    实验原理

当下智能手机已经普及，屏幕多数为电容式触摸屏，触摸原理较为复杂[6]，简单讲是在玻璃夹层中有一层透明的特殊金属导电物质ITO，当手指触摸在屏幕上，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置信息。那么，用一块透明的电容屏和手机表面平行放置，两块屏幕表面都有透明金属导电物质，构成一个平行板电容器，如图1所示。当直径略小于两板间距的金属球通过时，手机感应到电容发生了变化，即可获取小球的位置信息。在手机中的画图软件中同步“留下笔迹”，从而得到小球做平抛运动的轨迹。

该教具由轨道、直径为14 mm的小球、透明电容触摸屏、面板A、面板B、智能手机、水平泡、重锤和底座等构成，正面实物如图2所示。

轨道是由两块相同的亚克力板和中间一块高度略小的亚克力板粘合而成，轨道中间形成凹槽，凹槽宽度为6 mm，使小球在轨道上经斜面加速进入水平轨道，离开轨道后做平抛运动。轨道厚度为15 mm，与面板A、B间的距离相等，夹在两块面板之间，水平轨道位于面板内，下方开槽放入水平泡，如图3所示。

亚克力面板A厚度为3 mm，其上开口并嵌合入一块大小为227 mm×147 mm×1.5 mm的透明电容屏，使电容屏表面和面板A内表面在同一平面上。透明电容屏为平板电脑的触摸外屏，网上购买价格在30元左右。

亚克力面板B厚度为9  mm，其上开口160 mm×83 mm，在内表面粘贴厚度为15 mm的挡板，在背面设置卡槽，用于卡住不同大小及型号的手机，同时使手机屏幕与面板B的内表面在同一平面上，面板B背面如图4所示。

小球做平抛运动，不能与电容屏接触，因此面板A、B内表面之间的距离为15 mm，即略大于小球的直径，一起固定在亚克力底座上，如图5所示。

为了提高手机感应小球位置的灵敏度，手机需打开触摸屏手套模式（笔者使用的手机为华为畅享7），可以在手机“设置—智能辅助”中设置。

3    实验步骤及效果

先利用手机中的画图软件（笔者用狮子画板）打开提前做好的坐标系图片，坐标系实际单位长度为1 cm，点击软件中的画笔使软件处于画图模式，并将手机固定在手机卡槽内的相应位置，调节手机位置使小球的抛出点与坐标系原点在同一位置。

然后，根据水平泡和重锤线调节支架的三个立脚，使小球水平抛出，且平抛运动的轨迹和手机屏幕在同一平面内。

调节好后将小球从斜面的某点释放，小球在离开水平轨道后做平抛运动，此时手机同步显示小球在空中的运动轨迹。从不同的点释放可以得到不同的轨迹。由于手机屏幕较小，为了便于观察可以用手机同屏软件将手机画面同步到电脑上进行观察，实验效果如图6所示。

利用该器材显示小球做平抛运动的轨迹，操作简单、快捷，具有极强的创新性与趣味性，加之学生经常使用手机，对产生轨迹的方法容易接受。经实践该教具在课堂上的使用提高了课堂效率，对于提高学生对平抛运动轨迹的直观认识有很好的促进作用。

参考文献：

[1]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]冯永清，王林.平抛运动演示仪的改进与实验设计[J].物理通报，2017（9）：69-71.

[3]孙策.基于教材方案的改进与创新——平抛运动的实验研究[J].物理教师，2017，38（12）：52-55.

[4]罗慧.由一道高考物理实验题谈实验教学[J].物理之友，2018（2）：29-31.

[5]金松.DIS电磁定位平抛运动实验仪[J].物理教学，2017（2）：37-39.

[6]赵鹏昊.手机触摸屏是如何工作的[J].山东工业技术，2016（11）：239.

（栏目编辑    王柏庐）

收稿日期：2019-01-24

作者简介：罗慧（1985-），男，中学一级教师，主要从事物理课堂教学和实验创新研究，曾获全国中学物理青年教师教学大赛自制教具二等奖，多篇论文在省级及以上期刊发表;杨小芳（1983-），女，中学二級教师，研究方向为信息技术在教学中的应用，曾获衢州市赛课二等奖。