“研究平抛物体运动”实验装置的优化探析

刘心语

摘 要：“研究平抛物体运动”是物理实验研究中较为重要的实验，此实验探讨了物体运动规律。目前大多传统“研究平抛物体运动”实验装置无法准确测量出钢球的平抛运动轨迹，因而得出的实验结论不够准确。本文首先分析了以往优化装置存在的问题，发现以往优化装置仍然存在无法准确记录钢球的位置、实验时间很难控制且球心位置很难表明等问题，以解决实验装置存在的问题为目的，设计出了更为优化的“研究平抛物体运动”实验装置。

关键词：平抛物体运动;物理实验;优化;钢球位置

“研究平抛物体运动”实验装置从最开始提出至今，经过了多次优化，实验结论的准确性已经大大提升，但是目前很多优化后的实验装置仍然存在不足之处，为了能够更好的探析“研究平抛物体运动”实验装置的优化，首先从分析传统的“研究平抛物体运动”实验装置出发，思考优化“研究平抛物体运动”实验装置需要注意的问题。

1.传统中“研究平抛物体运动”的实验装置及其缺陷

1.1传统的实验装置及实验操作

传统的实验装置钢球沿着滑槽下落，经过一段水平滑槽后做平抛运动，撞击在滑槽对面的隔板上，钢球从同一位置下落的运动轨迹是相同的。记录钢球从同一位置下落的各个撞击点并连接各个撞击点，会发现钢球的运动轨迹呈抛物线状。

1.2传统实验装置存在的缺陷

由于钢球下落是动态的过程，很难准确记录钢球经过的各个位置，就算使用笔尖触碰钢球来描点的方式也无法准确记录钢球的位置，并且钢球的球心距离更加难以测量。因此最后得到的数据不精确，导致实验结论存在较大误差。

2.有关以往优化“研究平抛物体运动”实验装置的不足

之前有很多人提出过关于优化“研究平抛物体运动”实验装置的思路，其中有人提出过使用移动尺替换传统开孔卡片的思路，这类改进思路在实际操作中可以很好的实现，但这类思路还是存在不足之处。下面就研究探讨采用该类思路改进后的实验装置存在的问题，并进一步分析优化“研究平抛物体运动”实验装置需要注意的问题。

（1）钢球在飞落后撞击隔板时的晃动会导致纸板上产生多个钢球的位置标记，但是操作很难辨清钢球第一次下落的确切位置。

（2）实验中需要多次记录钢球下落后移动尺上的水平位置和垂直位置，操作人员需要保证移动尺处于水平状态才可以确保实验的精确度。但在实际操作时，会多次变更移动尺的位置，每次调整移动尺使其处于水平状态无疑是项费时又费力的操作流程，这会导致实验的时间在一定程度下很难控制，并且实验的准确性也很难保证。

（3）记录钢球位置时，一般记录的是其球心的位置，显然，在实际操作中即使采用标尺测量的方法也会存在较大的误差，操作人员很难准确的记录球心位置。

3.对“研究平抛物体运动”实验装置优化的新思路

3.1实验装置的优化

在传统的实验装置两侧加入两根金属棒，使其处于水平状态，并在两根金属棒间连接一个垂直的标尺，这种标尺要求可以随意移动。

实验装置还有两个需要注意的小细节，一是移动尺的宽度必须要大于钢球的直径，但只是略大于钢球直径。为了有效固定记录钢球位置的白纸和其覆盖的复写纸，可以在移动尺的上下两侧加上夹板，白纸和复写纸的宽度与钢球直径相同。二是增加两个钢球定位器，定位器上的两个圆孔直径等于抛体钢球的直径，并且定位器的两个面为垂直，它的作用是有效的记录钢球球心位置，从而增加实验结果的准确性。

3.2具体操作方法

（1）用移动尺两侧的夹板夹紧准备好的白纸（白纸宽度接近钢球的直径），并在白纸的上面覆盖一层复写纸（也用夹板夹紧）。

（2）调节实验装置按钮，使得斜槽的末端保持水平状态;固定好隔板，并在隔板的表面覆盖一张坐标纸。

（3）取下实验装置中的兩根金属杆，将两根金属杆套在移动尺两端的开孔上，并将两根金属杆固定在原来的位置上，调整实验装置，使得移动尺处于水平状态。

（4）调节实验装置按钮，固定移动板并使得移动的隔板与重锤线垂直。

（5）让钢球从固定的位置沿斜槽下落，记录下钢球经过水平滑槽撞击在移动板上的位置，并记录下位置为M1。

（6）钢球撞击隔板后，将准备好的定位器放在隔板撞击的点上，定位器的一孔对准撞击点，另一个孔就是球心的位置，在隔板的坐标纸上记录下球心位置为N1。

（7）重复上述所有操作，记录下钢球落下在移动板上多个撞击点的位置，记为N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8……

3.3操作注意事项

（1）固定好移动板上的白纸，要确保白纸不会因为钢球的移动而扭曲甚至滑落。

（2）斜槽倾斜的角度不要太小，太小会导致钢球落下撞击在隔板上的印迹不够明显;并且钢球落下的垂直高度也不能太小，原因和斜槽倾斜的角度相同。

（3）复印纸要选取复印效果较好的，从而使得得到的钢球撞击痕迹更加显著。

3.4优化后实验装置功能的延伸

优化后的实验装置不仅可以更加精确的记录钢球平抛移动的位置，还可以研究钢球竖直方向的运动特点。除此之外，也可以计算出钢球的初速度，操作方法即多次变更移动板距离水平滑槽的位置，测量出移动板移动的距离和对应钢球撞击点的位置，由此计算出钢球的初速度。

4.结束语

优化“研究平抛物体运动”实验装置的思路有很多，目前大多的思路都是从如何准确记录钢球移动的位置思考，本文也是从这一点进行思考探究，指出了以往优化装置存在的问题，并在此基础上设计了更加优化的实验装置。但科学研究的道路是永无止尽的，还可以设计出更为优化的“研究平抛物体运动”实验装置，当然这只有通过不断地思考和实验才可以实现。

参考文献

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