平抛运动演示仪的创新与自制

刘慧娟 马晓光

(鲁东大学物理与光电工程学院 山东 烟台 264025)

我国在2010年7月制定了《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》，纲要提出，要求“着力提高学生的学习能力、实践能力和创新能力，教育学生学会动手动脑”“注重学思结合，倡导参与式教学，帮助学生学会学习.激发学生的好奇心，培养学生的学习兴趣和爱好，营造独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境”[1].2017年教育部制定的《普通高中物理课程标准》指出“实验是高中物理学习的重要环节，是培养学生物理学科核心素养的重要途径和方式”“要求通过实验，探究并认识平抛运动的规律；会用运动合成与分解的方法分析平抛运动；体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想”[2].因此,通过实验探究平抛运动规律的过程尤其重要，自制教具在此起到重要作用.

1 问题提出

在物体只受重力的情况下，以一定初速度水平抛出，这时物体所做的运动称为平抛运动.学生在学习平抛运动之前学习过一维的直线运动，而平抛运动是二维的曲线运动，这增加了学生理解平抛运动的难度，纵览教材不难看出，帮助学生直观地理解平抛运动、掌握其运动规律是学习曲线运动的重中之重.

1.1 教材中平抛运动演示装置

人教版《物理·必修2》第五章第3节“参考案例”中提供的演示装置如图1所示[3].其中图1(a)实验装置有明显不足之处，一是整个实验过程所用时间很短，用肉眼很难观察到小球的运动，只能通过两小球的落地声判断其是否同时落地.但是人耳能分辨出两个声音的时间间隔约为0.1 s，理由不充分.二是此装置无法描绘小球做平抛运动的运动轨迹，不能直观地呈现在学生面前.图1(b)可以通过描迹法描绘运动轨迹，但是无法与自由落体运动和匀速直线运动进行对比，现象不直观.

(a)

1.2 现有平抛运动演示装置

在与自制教具相关的课程中了解到，目前平抛运动教具所用开关为电磁铁.查阅相关资料得知，教学中常用的演示平抛运动水平和竖直方向运动的教具如图2所示[4].

图2 平抛运动演示仪J2154

该演示装置存在以下缺点：(1)该演示仪是通过电磁铁控制小球同时运动的，众所周知，电磁铁由导线缠绕而成，对电源损害过大，易发生危险；(2)该装置依然不能直观描绘平抛运动的运动轨迹，小球是否同时运动依然需要依靠肉眼直接观看或者耳朵听声音来判断.

2 自制教具装置描述

针对上述问题，笔者利用生活中的各种零部件自制了平抛运动演示装置.如图3所示，本教具的组成部分主要由木板、轨道、联动挡板、扭转弹簧、磁性小球、磁性画板、触碰开关、灯泡、导线和供电电源组成.

(a)

2.1 导轨

如图3(a)所示，导轨由20 mm压线槽盖制作而成，压线槽盖具有很强的可塑性，直径为20 mm的磁性小球在导轨上滚动时的摩擦力很小，可忽略不计.制作导轨时，要保证导轨倾斜部分倾斜角度相同，末端圈出位置要水平，弯曲位置处在同一水平面内.

2.2 联动挡板开关

如图3所示，联动挡板由家用细PVC水管及其配件组成.抬高挡板，球1和球2同时下落，两小球到达水平轨道的竖直高度相同，从而实现平抛运动和匀速直线运动同时发生，并且保证了二者初速度相等.

2.3 扭转弹簧开关

如图4所示，球1运动到轨道末端时触碰扭转弹簧，此时弹簧转动，球3自由下落，与此同时球1做平抛运动，在下落之前两小球在同一水平面内，从而保证两球下落高度相同.最关键的一点是，实现了平抛运动和自由落体运动同时发生.

图4 扭转弹簧开关

2.4 磁性画板

磁性画板是儿童涂鸦所用的磁性板，因此磁性小球的运动轨迹可以在上面显示出来，可反复利用.

2.5 触碰开关和灯泡

如图3所示，触碰开关为中学物理电学实验中最常见的一种开关，便宜且容易获取.装置中3个小球下落位置处分别有3个开关，3个开关分别控制3个灯泡，小球落下时，与之相对应的灯泡发光.如果灯泡同时亮起，则说明对应小球同时落地.由于人眼能分辨出两个画面的时间间隔约为0.04 s，把“听”转换成“看”，变得方便准确.灯泡为“5 V，3 W”直流LED灯，配上USB接头后，供电电源可选择手机充电器、充电宝等，便于携带.

3 实验演示

3.1 演示平抛运动的水平分运动

利用联动挡板，控制平抛运动和匀速直线运动同时发生，做平抛运动的小球运动轨迹由磁性画板记录.具体操作步骤如下.

(1)如图5所示，接通电源，抬高挡板，球1和球2同时下落，运动到轨道末端时，球1以一定初速度水平抛出，在忽略空气阻力的情况下，球1只受重力作用，因此做平抛运动，同时球2做匀速直线运动.球1和球3到达水平轨道的竖直高度相同，从而保证球1平抛运动的初速度等于球3匀速直线运动的初速度.

(2)在如图5所示的装置中，使球1做平抛运动，与此同时磁性画板描绘其运动轨迹，球2做匀速直线运动.

图5 研究平抛运动的水平分运动

(3)球1落下，球2滚动到触碰开关位置，两球同时触碰与之对应的开关，使之闭合，可以观察到1号和2号灯泡同时发光.

通过灯泡同时亮起这一明显实验现象可以得出，做平抛运动的球1和做匀速直线运动的球2相同时间内的水平位移相同，我们知道合运动与分运动具有同时性，于是便可以得出平抛运动水平方向的分运动是匀速直线运动.

3.2 演示平抛运动的竖直分运动

对于平抛运动的竖直分运动，同平抛运动的水平分运动类似，不同之处是竖直分运动通过扭转弹簧来控制平抛运动和自由落体运动在同一高度同时发生.具体操作步骤如下.

(1)接通电源，抬高挡板，球1下落，当此球运动到水平轨道末端时，触碰扭转弹簧，此时弹簧转动，与它在同一水平高度的球3自由下落，在忽略阻力的情况下，球1将做平抛运动，球3做自由落体运动.

(2)如图6所示，球1做平抛运动，与此同时磁性画板描绘其运动轨迹，球3做自由落体运动.

图6 研究平抛运动的竖直分运动

(3)球1和球3同时落下，同时触碰开关，与之对应的1号和3号灯泡同时发光.

同样的，通过灯泡同时亮起这一明显实验现象可以得出，做平抛运动的球1和做自由落体运动的球3同时落地，二者在相同时间内的竖直位移相同，于是便可以得出平抛运动竖直方向的分运动是自由落体运动.

在整个实验过程中，可以明显看到在磁性画板上呈现的平抛运动的运动轨迹是一条抛物线，实验现象直观明了.做实验时还可以录制视频，之后将其播放速度调慢，很明显地观察到球1做平抛运动水平方向的分运动和球2做匀速直线运动具有等时性，球1竖直方向的分运动和球3做自由落体运动具有等时性，实验效果显而易见.

4 优点和不足

4.1 优点

(1)通过联动挡板开关和扭转弹簧开关，舍弃了电磁继电器，使得操作更加简单，实验过程安全可靠.

(2)以往要描绘运动轨迹需要多次实验确定几个点，操作繁琐耗时长，本教具中用磁性画板描绘运动轨迹，直观明了.

(3)使用生活中日常所见的材料制作教具，简单易得、价格便宜，使学生真正体会到“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的思想，并且该装置经久耐用.

4.2 不足

小球体积大，磁性画板的分辨率不高，因此在磁性画板上描绘的轨迹较粗.