圆周运动速度方向演示仪的设计和制作

朱新培 刘余灵

江西省赣州市兴国平川中学(342400)

为了探究曲线运动的速度方向,人教版高中物理必修2用“砂轮”和“链球”实验来演示圆周运动的速度方向[1]。“砂轮”实验在课堂中演示现象明显,对学生颇具“视觉冲击力”,可以达到较好的课堂效果,但也存在一些不足:①砂轮喷射出的炽热铁屑多、速度快、有危险性;②铁屑在较大的角度范围中发射,运动对象不明确,无法确定轨迹具体来自哪个位置,有的铁屑飞出方向不沿圆周的切线方向,稍欠说服力;③现象稍纵即逝,不能将铁屑的运动轨迹记录下来进行分析,不能满足深度学习的要求。“链球”实验也可以在课堂用细绳连接重物模拟,但也存在难以观察、无法记录、有安全隐患等不足。

李珂等老师用喷墨法探究圆周运动的速度方向,墨水从出口射出后在白纸上留下的痕迹描述墨水射出管口时的速度方向[2],如图1所示,此实验虽然弥补了“砂轮”和“链球”实验现象无法记录的不足,但也存在一些问题。首先,由电机高速转动“甩出”墨水,学生无法直观观察到墨水水滴的运动。其次,得到的轨迹不连续、不清晰,物质属性和运动特征不清晰,很难在学生心中形成明确的某个对象圆周运动速度方向的物理观念。

图1 喷墨法探究圆周运动的速度方向

为了克服上述不足,笔者设计了一款圆周运动的速度方向演示仪,可以很好地实现圆周运动的速度方向演示的教学要求。

1 设计思路

1.1 设计目标

明确以钢球为研究对象,在一个较大平面范围实现钢球圆周运动,增强可视性,要能画出圆周运动清晰的轨迹,能控制钢球的运动速度,便于观察,且能随时控制钢球做离心运动,并画出离心运动的轨迹,实现良好的互动性和趣味性,实验结果要科学美观,能供课堂深入分析,得出正确的结论。

1.2 设计思路

为了实现上述目标,演示仪的核心结构如图2所示,减速电机转轴上安装了1个3D打印的套筒,套筒右侧安装1根水平套管,套管末端用弹簧顶住1个磁铁,可以吸住钢球,用减速电机带动钢球圆周运动。为了让钢球运动时留下轨迹,在水平套管上方固定1个小墨斗,通过细管把墨水引导到钢球的上面,钢球滚动时就会在下面的白纸上留下径迹;为了控制钢球随时能做离心运动,用1个笔帽做成插销,倒装在3D套筒中,1根细绳连接插销下端和磁铁,钢球运动过程中按下插销,把磁铁向内拉进,远离磁铁,钢球失去磁铁的吸引力,就会做离心运动,释放插销,在弹簧的作用下,磁铁又会被顶回套管末端。

图2 圆周运动速度方向演示仪结构图

2 制作过程

2.1 所需材料

木质底板55 cm×36 cm,JGY370型减速电机12 V,18650型号锂电池(3个)及电池盒,直流电机调速器,船型开关,3D打印螺栓支架,螺栓M4×40(3套),3D打印套筒,圆形亚克力透明板(外直径50 cm,内孔直径10 cm),圆形PVC板及竖包边(外直径54 cm,内孔直径45 cm),球头笔帽,细绳,透明管(长12 cm,外径7 mm),弹簧(长12 cm,外径5 mm),3D打印小墨斗,输液管连接针头处的细胶管,钕铁硼磁铁(厚4 mm,外径5 mm),钢球(直径12 mm)。

2.2 制作过程

先在底板中央偏左(距左边20 cm)定好电机轴心位置,安装减速电机。以电机轴心为中心,画1个半径为16 cm的圆,在圆上定3个互成120°的支撑点,装上3个调平支架及螺栓。在底板的右下角安装电池盒、调速器、开关,连上电机。把圆形亚克力透明板和圆形PVC板用胶水同心组合在一起(PVC板在下面,在圆形亚克力板外边形成一道宽2 cm的凹槽),平放在3个调平螺栓上。再把3D套筒以上的各个零部件按图2组装起来,把3D套筒穿过亚克力板的圆孔插入电机轴,整套演示仪就制作完成,如图3所示。

图3 圆周运动速度方向演示仪实物图

3 实验过程及注意事项

实验演示前,首先要对圆形亚克力托板进行调平,在圆形亚克力托板上铺1张与亚克力板尺寸相同的带孔的白纸,把钢球放置于水平套管的末端,钢球被磁铁吸住,打开电源开关,调节电机调速旋钮,让电机带动钢球缓慢转动起来,观察水平套管和纸面的高度差,或者观察钢球在纸面上压出的印迹,通过调节亚克力托板下的3个调平螺栓,让钢球既能在纸面上滚动,压出的印迹又要均匀;关闭电机,接下来用注射器往墨斗中注入少许墨水,调节电机调速旋钮让电机转动起来,墨水在离心力的作用下沿细胶管流到钢球上面,钢球在纸面上滚动,就会在白纸上画出做圆周运动的轨迹;适当的时机按下轴心处的插销,释放钢球,钢球就会做离心运动,画出沿圆周切线方向运动的轨迹,钢球滚到圆形亚克力托板边沿,落入PVC板边与竖板间的凹槽中,松开插销,磁铁在弹簧的作用下又被顶回套管末端。

关闭电机,把钢球放回水平套管末端,钢球被磁铁吸住,再次开启电机,重复实验,可以在同一张白纸上画出钢球多次离心运动的轨迹,得到如图4所示的实验结果。

图4 实验结果

最后,可以把3D套筒从减速电机轴上拔出,取下白纸,借助教学用几何三角板等工具在白纸上进行分析,得出圆周运动的速度方向即为圆周曲线的切线方向的实验结论。

4 创新点和优点

4.1 创新点

(1)研究对象单一明确,物质属性和运动特征简单明了,物理情境清晰,促进物理观念形成。

(2)直观性,能够把物体做圆周运动的轨迹和离开圆周后做直线运动的轨迹都记录下来,实验现象直观明了,轨迹清晰,易于分析。

(3)互动性好且趣味性强,转速可快可慢,可以自主选择释放点,在适当的时机按下插销,释放钢球,让操作者获得良好的课堂掌控感。

4.2 优点

(1)针对性强,针对曲线运动中圆周运动的速度方向的探究,有效地克服了前述3个实验的诸多不足。

(2)科学性强,用3个调平螺栓,亚克力板平整度好,钢球被释放后的轨迹直线性良好,与圆周轨迹相切很精确。

(3)可视性好,演示仪尺寸够大,借助实验投影仪可以让学生直接观察到整个动态演示的过程,大大提高了实验的演示效果,给学生留下了深刻的印象。

(4)操作简便,在同一张白纸上可多次实验,记录钢球从圆周不同位置离开后的直线轨迹,更换白纸再实验也很便捷。

(5)安全性高,没有任何人身安全隐患,钢球被释放后落入圆形亚克力托板边沿的凹槽中,实验器材的安全也有很好的保障。

5 结语

这套仪器的螺栓调平系统、插销加磁铁的控制系统及小墨斗的上墨系统设计巧妙,用在“曲线运动”的教学中,达到了很好的实验效果。如果提高转速,当磁铁磁力不够时,钢球也会离开磁铁,做离心运动,也可以说明产生离心运动的原因和条件;如果创新传动机构,让钢球作椭圆轨道运动,甚至可以实现椭圆轨道运动时在任意一点速度方向的演示,感兴趣的教师可以进一步研究,使这套演示仪的演示内容更具有普遍性和推广价值[3]。