对平抛运动演示装置的再设计

王 博

1设计思路

高中物理在讲述平抛运动的特点和规律以及研究平抛物体的运动实验时，原有的实验仪器可视性差，不易操作，误差较大，说服力不强，学生不易接受。改进的实验装置如图1所示。

2装置结构简介

(1)电磁铁1和电磁铁11并联，由总开关来控制；电磁铁5是用开关3来控制，开关3是由一动一静的弹簧片组成，上面的弹簧片质软且弹性较好，两弹簧片通常是不接触的，两弹簧片分别与导线相连，当小球从其上面通过时弹簧片在重力作用下相互接触接通电路。造成电磁铁5瞬间失去磁性，小球4便会自由下落。

(2)可移动导轨17包括水平部分和倾斜部分，水平和倾斜两部分的连接处是弧形，倾斜部分与导轨7的倾斜程度是相同的，可移动导轨17可以上下移动并用固定螺丝13固定，指针18固定在导轨的旁边，指针的高度等于小球的半径，用来指示小球在导轨上运动时的竖直高度。

(3)电磁铁1和电磁铁11并联，而且固定在导轨的同一高度上。

(4)小球4被电磁铁5吸住时，小球4与小球2放在导轨7的水平末端时球心等高。

3装置电路图

见图2。

4工作原理(演示方法)

4.1验证平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体的台运动

将装置调试好后，闭合总开关和开关2，让电磁铁1和电磁铁5下端分别吸住小球2和小球4，然后断开开关2，小球2因电磁铁失去磁性而下滑，当小球2滑到轨道7的水平末端时触及开关K1，使开关K1闭合，造成电磁铁5的因暂时短路而失去磁性，使小球4在小球2离开轨道水平末端的同时自由下落，两个小球同时落到导轨17上，改变导轨17的高度重复上面的步骤。同样可以观察到两个小球同时落到导轨17上，说明在任意时刻两个小球都在同一高度上，这就证明了平抛运动可以分解为一个竖直方向的自由落体运动；闭合总开关和开关2。在电磁铁1和电磁铁11上各吸一个小球。然后断开总开关，可以观察到两个斜面上的小球同时开始下滑，到斜面底端时，导轨7上面的小球做平抛运动，导轨17上的小球在导轨水平部分做匀速直线运动，可以观察到两个小球在导轨17上相碰，改变导轨17的高度重复上面的步骤，同样可以观察到两个小球在导轨17上相碰，这就说明了平抛运动又可以分解为一个水平方向的匀速直线运动，总之，平抛运动是水平方向的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体的合运动。

4.2研究平抛物体的运动(实验)

4.2.1在导轨17的水平部分铺上一条纸带，记下铅垂线在纸带上的垂直投影点。即小球做平抛运动时小球的球心在纸带上的垂直投影，在纸带上铺上复写纸。

4.2.2记下此时指针所指标尺的刻度值Yi，即就是小球落到导轨上时的高度。

4.2.3闭合总开关和开关2，在电磁铁1下吸一个小球，打开开关2，让小球自由滚下做平抛运动，小球就会在纸带上砸下一个点，将该点记为I，I点到O点的距离记为Xi，则点(Xi，Yi)表示小球平抛轨迹上的一个点。

4.2.4改变导轨17的高度，重复步骤③，测出6个点的坐标。

4.2.5利用这6个点的坐标就可以研究平抛运动，即可以求平抛的初速度又可以绘制平抛的轨迹。

5注意事项

(1)实验时支架应该竖直固定，导轨17和导轨7的倾斜部分倾斜程度应该相同。电磁铁1和电磁铁11应该固定在斜面上的等高处。

(2)实验用的小球必须是等大的金属球。

(3)纸带应该用夹子夹在导轨上，不能移动。

(4)在纸带上确定小球落点时，及时给落点打个标记以免最后由于落点太多很难辨认。在做此步骤时只要不移动纸带，复写纸是可以移动的。

(5)电磁铁1和11的额定电压均为24V，电磁铁5的额定电压为12V，电源电压为36V直流电源。