平拋運動演示儀的改進與實驗設計*

馮永清 王 林

(寧夏大學物理電氣信息學院 寧夏 銀川 750021)

平拋運動演示儀的改進與實驗設計*

馮永清 王 林

(寧夏大學物理電氣信息學院 寧夏 銀川 750021)

通過對現有平拋運動演示儀的改進，使學生通過調節平拋運動演示儀上塑料圈的位置，直觀地顯示出小球水平拋出后的拋物線軌跡，并且利用運動的比例關系通過測量得出平拋運動在水平方向上做勻速直線運動．

實驗改進 平拋運動 運動的分解與合成

在高中物理教學中，實驗教學與演示操作是教學過程中非常重要的環節．平拋運動作為高中物理教學中的一節，扮演著很重要的角色，但是其實驗操作與演示通常會存在很多問題．比如，通過實驗室現有關于平拋運動的演示儀不能直觀地得到小球做平拋的軌跡，而現有的實驗儀器是通過小球平拋后落到接球槽且與白板撞擊，并且撞擊時通過復寫紙在白紙上打下一點，然后移動接球槽再打點，最后得到平拋運動的軌跡．這種方法不能在小球一次落下便直觀地看到小球運動的軌跡．然后本人通過知網論文檢索發現有很多平拋運動實驗的改進，筆者一一研讀了這些文章，發現總有不足之處．

下面筆者通過對實驗室現有儀器進行改進，使小球在水平拋出后便能在白板上留下平拋運動的軌跡，并且對豎直方向做自由落體運動和水平方向做勻速直線運動分別進行了驗證．

1 實驗儀器的改進

(1)儀器裝置

金屬小球2個，白紙1張，磁條2個，平拋運動演示儀一套，帶有雙面膠的塑料圈，直尺．

(2)制作材料

打孔器，502膠水，直徑稍微大于金屬小球的圓形塑料圈，雙面膠等.

(3)制作方法

首先找到直徑略大于金屬小球的塑料圓圈，將塑料圓圈的一邊稍微磨平，并粘上雙面膠，如此制作若干個．然后用螺絲刀將平拋運動演示儀上的平拋導軌取下，用打孔器將直尺打出和平拋導軌一樣距離和大小的孔，接著將直尺豎直放在平拋運動演示儀屏板左側并且保持直尺的零刻度線與平拋導軌水平面同一高度，然后用剛拿下的螺絲穿過平拋導軌與直尺的孔并固定住直尺．完成上述步驟我們的儀器制作就完成了，改進后的實驗儀器組裝圖，如圖1所示．

圖1 改進后的實驗儀器組裝圖

改裝后的實驗儀器與原實驗儀器相比沒有太大變化，我們只是做了稍微的改變，制作過程非常簡單，材料也非常易得．下面我們將用制作出來的新設備進行演示實驗．

2 平拋運動軌跡的得出

2.1 原有儀器平拋運動軌跡的得出

2.1.1 實驗步驟

(1)按照圖2組裝實驗儀器.

圖2 原有儀器組裝好儀器

(2)將復寫紙和白紙用磁條固定在實驗器白板上.

(3)將接球槽推至最上方．

(4)小球放在斜槽的固球圈中．

(5)釋放小球，將在白紙上打出點．

(6)將接球槽向下移動適當距離，再釋放小球，將會打出新的點．多次重復．

(7)取下白紙、將會得到小球在白紙上打出的一系列點．

(8)用平滑的曲線連接各點，將會得到平拋運動的軌跡，如圖3所示.

圖3 平拋運動軌跡

2.1.2 實驗儀器的的不足之處

此種方法雖然也得出了平拋運動的軌跡，但不能讓學生很容易理解，因為通常我們看到的平拋運動的軌跡如流星一樣劃出的是一條連續的弧線，所以這種方法不能直觀地讓學生觀察并得出平拋運動的軌跡，因此我們進行了改進．

2.2 改進后的平拋運動軌跡的得出

2.2.1 實驗步驟

(1)按照改裝后的儀器設備組裝實驗儀器；

(2)用磁條或紙夾將白紙固定在屏板上(此時不再需要復寫紙，因為不需要打點)；

(3)將小球放在平拋導軌的拋球開關中(拋球開關可以移動，以便讓小球的水平初速度可以改變)；

(4)準備好我們剛剛制作好的帶有雙面膠且大小稍微大于金屬小球的塑料圈10個左右；

(5)打開斜槽上的擋板，使小球做平拋運動，在白板上用帶有雙面膠的塑料圈標記金屬小球經過的軌跡，再一次釋放金屬小球，調整白板上的塑料圈的位置，使小球剛好能從塑料圈中間穿過，多次釋放小球并且對塑料圈進行調整使最后一次釋放小球時能讓小球順利通過所有的塑料圈，如圖4所示；

圖4 做平拋運動的小球順利通過白板上的塑料圈

(6)然后用筆標記每一個塑料圈粘貼的位置，如此我們也就得到了平拋運動的軌跡圖．

2.2.2 改進后實驗儀器的優點

實驗儀器經過以上方法的改進，可以一次性形成平拋運動的軌跡圖，塑料圈的擺放位置代表小球平拋運動時所經過的位置，且小球可以數次穿過所有塑料圈，使實驗具有可重復性，更具說服力．而原實驗儀器通過上下移動接球槽使落下來的小球在到達接球槽位置時與白板發生碰撞，碰撞時通過復寫紙便在白紙上留下印記．這種得到平拋運動軌跡圖的方法，由于碰撞時的反彈會打出多個點，使實驗存在誤差．而我們改進后的實驗儀器恰好不需要撞擊，從而解決了以上問題．

3 驗證平拋運動在豎直方向上做自由落體運動

通過以上實驗我們已經得到了平拋運動的軌跡，現在我們對平拋運動進行分解并驗證平拋運動在豎直方向上做自由落體運動．

圖5 平拋豎落儀

步驟如下：

(1)將平拋豎落儀掛在平拋運動演示儀屏板的頂端；

(2)按照圖5將兩金屬球放在平拋豎落儀上；

(3)將平拋豎落儀上的小錘拉起擊打小球，金屬片把A球沿水平方向拋出，同時B球被松開，自由下落；

(4)用我們已經制作好的塑料圈標記出A球的下落軌跡，并將小錘拉起相同高度重復試驗，使小球能順利地通過所有標記的塑料圈；

(5)在B球的豎直下方用塑料圈標記出B球的下落軌跡，并且使B球下方的塑料圈與A球軌跡標記中的每一個塑料圈保持同樣的高度，如圖6所示；

圖6 兩球運動軌跡標記的每一個塑料圈保持同樣高度

(6)觀察兩小球的落地情況并注意聽兩小球的落地聲音．

通過以上演示實驗，我們會觀察到A和B兩小球總是能同時經過同一高度塑料圈并且落地時我們會聽到只有一次的撞擊聲音，從而我們總結出了平拋運動在豎直方向上與自由落體運動的小球是同步的，由此證明了平拋運動在豎直方向上做自由落體運動．

4 驗證平拋運動在水平方向做勻速直線運動

通過以上實驗已經驗證了平拋運動在豎直方向上做自由落體運動,并且通過高中物理必修1運動章節的學習我們已經知道：初速度為零的勻加速直線運動相同時間內通過的位移之比為1∶3∶5∶7…要想證明平拋運動在水平方向做勻速直線運動，我們需要證明在平拋運動中相同時間內通過的水平位移是否相同？如果相同時間內小球做平拋運動在水平方向上經過位移相同則證明平拋運動在水平方向做勻速直線運動．由此我們設計以下實驗驗證.

在學習平拋運動之前我們已經學習了運動的分解與合成，意味著學生已經掌握了各分運動之間存在同時性，因此我們從已知的豎直方向的運動入手使水平方向相鄰位移時間間隔相同，通過測量位移驗證水平方向的運動情況．具體操作如下.

由于拍照后不能很好地說明，因此通過作圖表達．如圖7所示，我們從直尺的零刻度開始取y1長為2 cm,在與2 cm刻度水平位置粘貼塑料圈，使小球下落時剛好能穿過塑料圈．然后我們再取y2長為6 cm，并且在直尺8 cm刻度的水平位置粘貼塑料圈，使小球平拋落下時剛好能通過塑料圈．與上述操作一樣，我們再取y3為10 cm,并且粘貼塑料圈，使平拋落下的小球穿過塑料圈，如圖7所示．這樣我們就得到y1∶y2∶y3=1∶3∶5,而在豎直方向小球做自由落體運動，故在豎直方向小球經過y1,y2,y3所用時間相等．從而我們得到小球經過3個塑料圈所用時間相等， 即小球在水平方向經過x2,x3的時間也是相等的，我們通過測量得到x2,x3之間的距離非常接近，而小球穿過每個塑料圈經過的時間又相等，由此我們便可證明小球在水平方向做勻速直線運動．

圖7 測量平拋運動兩個方向相等時間內的間隔

以上是關于平拋運動的演示儀的改進與實驗設計，通過以上簡單的儀器改進解決了我們在平拋運動實驗中經常遇到的問題．此次實驗改進取材容易，制作簡單，并且能在中學實驗室進行．最重要的是改進后的實驗儀器可行性很強，能在實驗室推行．但其中的不足之處是平拋運動演示儀屏板太小，導致獲得的數據非常有限，所以我們應對屏板進一步改進．

5 結束語

在中學物理教學階段，實驗操作與演示是很重要的一部分，但我們實驗室現有的實驗儀器大多都有不足之處，當我們發現問題時應該積極地想辦法進行改進，而且要確保簡單易行．在這個過程中能促進我們對知識的更深一步的認識，而且我們可以與學生一起探討，從而激發學生學習的興趣與創造力．

*2016年研究教育創新計劃項目，項目編號：YXW201604；2016年寧夏高?？蒲许椖?，項目編號：NGY2016054

馮永清(1993- )，男，在讀研究生，研究方向為物理教育.

指導教師：王林(1959- )，男，教授，主要從事物理課程與教學論、教育技術學研究.

2017-02-25)