圓周運動速度方向演示儀的設計和制作

朱新培 劉余靈

江西省贛州市興國平川中學(342400)

為了探究曲線運動的速度方向,人教版高中物理必修2用“砂輪”和“鏈球”實驗來演示圓周運動的速度方向[1]?！吧拜啞睂嶒炘谡n堂中演示現象明顯,對學生頗具“視覺沖擊力”,可以達到較好的課堂效果,但也存在一些不足:①砂輪噴射出的熾熱鐵屑多、速度快、有危險性;②鐵屑在較大的角度范圍中發射,運動對象不明確,無法確定軌跡具體來自哪個位置,有的鐵屑飛出方向不沿圓周的切線方向,稍欠說服力;③現象稍縱即逝,不能將鐵屑的運動軌跡記錄下來進行分析,不能滿足深度學習的要求?！版溓颉睂嶒炓部梢栽谡n堂用細繩連接重物模擬,但也存在難以觀察、無法記錄、有安全隱患等不足。

李珂等老師用噴墨法探究圓周運動的速度方向,墨水從出口射出后在白紙上留下的痕跡描述墨水射出管口時的速度方向[2],如圖1所示,此實驗雖然彌補了“砂輪”和“鏈球”實驗現象無法記錄的不足,但也存在一些問題。首先,由電機高速轉動“甩出”墨水,學生無法直觀觀察到墨水水滴的運動。其次,得到的軌跡不連續、不清晰,物質屬性和運動特征不清晰,很難在學生心中形成明確的某個對象圓周運動速度方向的物理觀念。

圖1 噴墨法探究圓周運動的速度方向

為了克服上述不足,筆者設計了一款圓周運動的速度方向演示儀,可以很好地實現圓周運動的速度方向演示的教學要求。

1 設計思路

1.1 設計目標

明確以鋼球為研究對象,在一個較大平面范圍實現鋼球圓周運動,增強可視性,要能畫出圓周運動清晰的軌跡,能控制鋼球的運動速度,便于觀察,且能隨時控制鋼球做離心運動,并畫出離心運動的軌跡,實現良好的互動性和趣味性,實驗結果要科學美觀,能供課堂深入分析,得出正確的結論。

1.2 設計思路

為了實現上述目標,演示儀的核心結構如圖2所示,減速電機轉軸上安裝了1個3D打印的套筒,套筒右側安裝1根水平套管,套管末端用彈簧頂住1個磁鐵,可以吸住鋼球,用減速電機帶動鋼球圓周運動。為了讓鋼球運動時留下軌跡,在水平套管上方固定1個小墨斗,通過細管把墨水引導到鋼球的上面,鋼球滾動時就會在下面的白紙上留下徑跡;為了控制鋼球隨時能做離心運動,用1個筆帽做成插銷,倒裝在3D套筒中,1根細繩連接插銷下端和磁鐵,鋼球運動過程中按下插銷,把磁鐵向內拉進,遠離磁鐵,鋼球失去磁鐵的吸引力,就會做離心運動,釋放插銷,在彈簧的作用下,磁鐵又會被頂回套管末端。

圖2 圓周運動速度方向演示儀結構圖

2 制作過程

2.1 所需材料

木質底板55 cm×36 cm,JGY370型減速電機12 V,18650型號鋰電池(3個)及電池盒,直流電機調速器,船型開關,3D打印螺栓支架,螺栓M4×40(3套),3D打印套筒,圓形亞克力透明板(外直徑50 cm,內孔直徑10 cm),圓形PVC板及豎包邊(外直徑54 cm,內孔直徑45 cm),球頭筆帽,細繩,透明管(長12 cm,外徑7 mm),彈簧(長12 cm,外徑5 mm),3D打印小墨斗,輸液管連接針頭處的細膠管,釹鐵硼磁鐵(厚4 mm,外徑5 mm),鋼球(直徑12 mm)。

2.2 制作過程

先在底板中央偏左(距左邊20 cm)定好電機軸心位置,安裝減速電機。以電機軸心為中心,畫1個半徑為16 cm的圓,在圓上定3個互成120°的支撐點,裝上3個調平支架及螺栓。在底板的右下角安裝電池盒、調速器、開關,連上電機。把圓形亞克力透明板和圓形PVC板用膠水同心組合在一起(PVC板在下面,在圓形亞克力板外邊形成一道寬2 cm的凹槽),平放在3個調平螺栓上。再把3D套筒以上的各個零部件按圖2組裝起來,把3D套筒穿過亞克力板的圓孔插入電機軸,整套演示儀就制作完成,如圖3所示。

圖3 圓周運動速度方向演示儀實物圖

3 實驗過程及注意事項

實驗演示前,首先要對圓形亞克力托板進行調平,在圓形亞克力托板上鋪1張與亞克力板尺寸相同的帶孔的白紙,把鋼球放置于水平套管的末端,鋼球被磁鐵吸住,打開電源開關,調節電機調速旋鈕,讓電機帶動鋼球緩慢轉動起來,觀察水平套管和紙面的高度差,或者觀察鋼球在紙面上壓出的印跡,通過調節亞克力托板下的3個調平螺栓,讓鋼球既能在紙面上滾動,壓出的印跡又要均勻;關閉電機,接下來用注射器往墨斗中注入少許墨水,調節電機調速旋鈕讓電機轉動起來,墨水在離心力的作用下沿細膠管流到鋼球上面,鋼球在紙面上滾動,就會在白紙上畫出做圓周運動的軌跡;適當的時機按下軸心處的插銷,釋放鋼球,鋼球就會做離心運動,畫出沿圓周切線方向運動的軌跡,鋼球滾到圓形亞克力托板邊沿,落入PVC板邊與豎板間的凹槽中,松開插銷,磁鐵在彈簧的作用下又被頂回套管末端。

關閉電機,把鋼球放回水平套管末端,鋼球被磁鐵吸住,再次開啟電機,重復實驗,可以在同一張白紙上畫出鋼球多次離心運動的軌跡,得到如圖4所示的實驗結果。

圖4 實驗結果

最后,可以把3D套筒從減速電機軸上拔出,取下白紙,借助教學用幾何三角板等工具在白紙上進行分析,得出圓周運動的速度方向即為圓周曲線的切線方向的實驗結論。

4 創新點和優點

4.1 創新點

(1)研究對象單一明確,物質屬性和運動特征簡單明了,物理情境清晰,促進物理觀念形成。

(2)直觀性,能夠把物體做圓周運動的軌跡和離開圓周后做直線運動的軌跡都記錄下來,實驗現象直觀明了,軌跡清晰,易于分析。

(3)互動性好且趣味性強,轉速可快可慢,可以自主選擇釋放點,在適當的時機按下插銷,釋放鋼球,讓操作者獲得良好的課堂掌控感。

4.2 優點

(1)針對性強,針對曲線運動中圓周運動的速度方向的探究,有效地克服了前述3個實驗的諸多不足。

(2)科學性強,用3個調平螺栓,亞克力板平整度好,鋼球被釋放后的軌跡直線性良好,與圓周軌跡相切很精確。

(3)可視性好,演示儀尺寸夠大,借助實驗投影儀可以讓學生直接觀察到整個動態演示的過程,大大提高了實驗的演示效果,給學生留下了深刻的印象。

(4)操作簡便,在同一張白紙上可多次實驗,記錄鋼球從圓周不同位置離開后的直線軌跡,更換白紙再實驗也很便捷。

(5)安全性高,沒有任何人身安全隱患,鋼球被釋放后落入圓形亞克力托板邊沿的凹槽中,實驗器材的安全也有很好的保障。

5 結語

這套儀器的螺栓調平系統、插銷加磁鐵的控制系統及小墨斗的上墨系統設計巧妙,用在“曲線運動”的教學中,達到了很好的實驗效果。如果提高轉速,當磁鐵磁力不夠時,鋼球也會離開磁鐵,做離心運動,也可以說明產生離心運動的原因和條件;如果創新傳動機構,讓鋼球作橢圓軌道運動,甚至可以實現橢圓軌道運動時在任意一點速度方向的演示,感興趣的教師可以進一步研究,使這套演示儀的演示內容更具有普遍性和推廣價值[3]。