多功能平抛运动演示仪的研制及应用

罗小成， 刘齐树

(1.内江师范学院 物理与电子信息工程学院， 四川 内江 641100；2.自贡市嘉祥外国语学校, 四川 自贡 643000)

0 引言

“平抛运动”是高中物理典型模型之一，普通高中物理课程标准(2017版2020年修订)必修2中关于平抛运动的学习要求是“通过实验，探究并认识平抛运动的规律.会用运动的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，能分析生产生活中的抛体运动”[1].从课标要求来看，一是要突出科学探究方法和能力的培养，二是要体会物理学思想.目前中学使用或改进的平抛运动演示仪基本以对比两个运动物体的同时性来说明运动性质，而设置的运动测定都是特例，不具备任意性，存在逻辑缺失、实验现象观察困难、肉眼观测结果误差较大等问题.多功能平抛运动演示仪着力解决用平均速度来验证平抛运动性质，将对比一个特例拓展到对比运动过程中的任意位置，解决平抛运动研究从特殊到一般的逻辑缺失问题.通过传感器控制高亮LED发光，结合视频慢放、截图等方式,解决原有器材实验现象观察不便的问题.将多功能平抛运动演示仪应用于教学可以培养学生的质疑和创新精神，提升学生科学探究能力.平抛运动教学可以采用对比演示的方法，着眼于“以直解曲”“化繁为简”的思维方式，发挥其联系直线运动与曲线运动纽带的作用[2].在教学中，教师引导学生猜想、理论推证、实验探究平抛运动规律.采用多功能平抛运动演示仪探究平抛运动在水平和竖直方向的运动，通过移动两组传感器到不同位置，对比平抛运动小球、自由落体小球、水平匀速小球的等时性，从而确定平抛运动水平和竖直方向运动的性质.多功能平抛运动演示仪原理简单，易理解，实验操作简便，现象明显，可以用于演示探究或分组探究教学，有利于培养学生物理学科核心素养.

1 传统实验仪器的不足之处

普通高中物理必修2教材中给出研究平抛运动竖直分运动的实验器材采用对比实验方法[3]，通过敲击弹性金属片使A球平抛，同时B球自由下落，实验装置如图1[3]所示.其不足之处在于：一是难以确保A球速度一定水平；二是安装时难以确保A、B小球初始位置在同一高度；三是通过观察两个小球落地情况或者通过听落地声音进行判断存在较大的误差；四是仪器没有设置挡板，小球掉下后会散落到地上，找回困难[4].

图1 平抛运动竖落仪

除此之外，中学物理教学中常用的J2154型双轨平抛运动演示仪同样采用对比实验的方式来开展研究，竖直方向采用两小球同时落到下方台面判定运动性质相同，水平方向运动则用两小球相撞来说明运动性质相同，实验装置如图2[4]所示.该装置用于研究平抛运动时存在竖直高度不能调节，演示时只能观察到仪器设定的这个高度，无法推证任意性，演示不具普遍性[4]；实验现象还存在不易观察的问题.

图2 J2154型双轨平抛运动演示仪

实验室多数平抛运动演示仪器都是将平抛小球和同一高度自由下落小球进行对比，以二者是否同时落地作为竖直方向运动性质证据；以平抛小球和同步水平匀速小球进行对比，通过等时性判定水平运动性质.但这都忽视了运动的中间过程，两物体同时从同一高度出发，同时落地，只能说明两物体平均速度相等，无法严格证明中间过程中分运动一定满足自由落体和匀速直线运动的性质，造成逻辑建立、逻辑分析过程的缺失[5].根据科学研究的方法，从特殊到一般，证明任意性推广后才能成为一般规律.因此真正意义上能够完美证明平抛运动的分运动特点的传统方法是频闪照相，但是频闪照相操作复杂，设备要求高，不便于课堂实验操作.

2 仪器的改进思路

平抛运动研究从特殊到一般的达成思路：以竖直方向为例，如果能够观察到水平飞出小球和从同一高度同时自由下落小球在运动过程中总是同时通过任意相同高度(同一水平线)，则说明二者竖直方向运动性质完全相同.新仪器通过设置2个可以在竖直方向上下移动的传感器检测平抛小球和自由落体小球的运动位置，通过竖直平行刻度尺来确定同一高度.同理，在水平方向设置刻度线、移动滑槽、2个传感器来证明水平方向的任意性.

平抛对比实验观察不便的解决思路：学生要观察两个小球是否同时落到台面或相撞有很大难度，通过听声音来判断同时性对后排学生也不现实.新仪器将观察落地或相撞改为观察两个LED灯是否同时发光，再通过手机拍视频、回放、慢放、截图的方式完美解决观察不便的问题.

另外，考虑到仪器整体较大，新仪器采用了快拆设计，解决搬运问题.

3 多功能平抛运动演示仪介绍

实验仪器主体结构包括电源、底座、面板以及面板上的传感器等元件，所用材料均为实验室能够找到或者便于购买，成本较低，具备推广性.同时,为兼顾学生已有知识和理解能力，设备的电路构成均为简单的串、并联，实验原理简单易懂.

3.1 基本原理

多功能平抛运动演示仪装置如图3所示，主要元件包括控制开关、电磁铁、管道、检测开关、传感器和显示LED.

竖直方向工作原理：通过控制开关，电磁铁释放小球沿管道运动.当小球从管道水平飞出时，检测开关控制同一高度的小球释放做自由落体运动，竖直方向的2个传感器分别检测平抛小球和自由落体小球，当小球通过时，传感器控制LED发光.移动2个传感器到任意相同高度，2个LED均同时发光，则说明竖直方向运动性质就是自由落体运动(忽略空气阻力).

水平方向工作原理：通过控制开关，2个电磁铁同时释放小球，小球经过相同的管道到达末端速度相等，上端管道小球平抛，下端管道小球继续沿光滑管道匀速运动.通过移动水平方向检测传感器，如果两个小球同时通过任意竖直线，说明水平方向二者运动性质相同，即水平方向为匀速运动(忽略摩擦和空气阻力).

3.2 基本结构及电路控制图

多功能平抛运动实验仪器由三个电磁铁来分别释放小球A、B、C，使其分别做平抛运动、自由落体和水平方向的匀速直线运动，结构如图3所示.

图3 多功能平抛运动演示仪结构简图

多功能平抛运动演示仪通过档位控制开关实现水平方向和竖直方向分运动性质的验证，见图4.为便于清晰描绘装置的核心结构，图3中的连接线路未勾勒出，实际线路采用轻软导线，便于隐藏于装置内部.由图3和图4可见，当进行水平方向分运动的验证时，金属球A、C分别从第一直流电磁铁8和第二直流电磁铁17释放；当进行竖直方向分运动的验证时，金属球A、B分别从第一直流电磁铁8和第三直流电磁铁18释放.

图4 多功能平抛运动演示仪器结构

合运动与分运动的同步控制如图3、图5所示.闭合电源总开关S0后，选择水平档位时，S1控制A、C小球同时静止释放，同时离开一二导轨，分别做平抛运动和匀速直线运动；当选择竖直档位时，需要闭合S0、S1,当断开开关S1时，金属球A从第一直流电磁铁上释放，当A球经过金属接近开关10时，触发第三直流电磁铁18释放金属球B，AB从同一高度开始分别做平抛运动和自由落体运动(以上均忽略空气阻力和摩擦影响).

图5 设备电路图

显示原理：实验仪器利用常开式红外线传感器和金属接近开关，并借助与之串联的LED指示灯实现对合运动与分运动同步性的证明，电路可简化,如图6所示.其中用于证明平抛运动的小球A在水平方向与匀速直线运动的小球C在中间任意时刻具有同步性.当金属球AC同时通过感应开关的感应路径时，对应的一组白色LED灯泡同时发光，从而证明平抛运动在水平方向是匀速直线运动.

图6 传感器控制电路简图(水平)

图7用于验证平抛运动的小球A在竖直方向与自由落体的小球B在中间任意时刻具有同步性.当金属球AB同时通过感应开关的感应路径时，对应的一组绿色LED灯泡同时发光，从而证明平抛运动在竖直方向是自由落体运动.

图7 传感器控制电路简图(竖直)

3.3 创新设计

(1)移动滑槽和刻度线的使用：4条刻度线便于快速调整两个传感器到同一竖直线或同一水平线，传感器可以在滑槽上移动，可以证明任意性(见图3中5、7、9).

(2)传感器的交叉干扰问题：两个红外线传感器对向安装会造成干扰，影响实验效果，所以感应区域的上、左滑轨上安装常开式红外线漫反射传感器，而右侧和下端滑轨上安装常开式金属接近开关(见图3中6).

(3)普通红外线传感器无法实现超短距离感应控制，所以第二轨道末端安装常闭式金属接近开关，用于控制自由落体小球同步下落(见图3中10).

4 多功能平抛运动演示仪在教学中的应用

在设计和实施“平抛运动”的课堂教学实践中，以高中物理课程标准要求为依据，突出学生的主体地位，注重情境设置、问题提出、科学探究，通过学生活动构建教学过程主线[6]，学生经过猜想、理论推证、实验验证、质疑、自主建构平抛运动规律，培养物理学科核心素养.

教学设计思路：首先导入部分采用创设情景，模拟飞机投弹(或套圈小游戏)激起学生兴趣，培养学生物理观念.接着复习自由落体，运用类比架桥策略引导得出平抛运动定义.然后以渐进提示的方式引导学生对平抛运动分解提出猜想，运用力的观点理论推证水平和竖直运动性质.再通过两个硬币的互动小实验引发质疑，用自制的平抛运动演示仪验证，用手机拍摄视频慢放全过程细节印证.最后，回归问题，引导学生运用运动合成的思想，归纳总结出平抛运动的规律，并在实际运用中巩固.

4.1 水平方向的验证

(1)检查设备，将竖直方向的红外线传感器和金属接近开关通过滑轨调整到相对的位置；

(2)闭合电源开关S0,S2置于a端；

(3)闭合S1,安装金属球A、C;

(4)断开S1,金属球A、C同时静止释放；

(5)观察白色指示灯的发光情况，当金属球A、C同时到达同一竖直线时，两个白色指示灯同时发光；

(6)通过滑轨改变竖直方向的红外线传感器和金属接近开关的位置，重复实验.

4.2 竖直方向的验证

(1)检查设备，将水平方向的红外线传感器和金属接近开关通过滑轨调整到相对的位置；

(2)闭合电源开关S0,S2置于b端；

(3)闭合S1,安装金属球A、B;

(4)断开S1,A球静止释放，经过导轨末端时触发金属接近开关18，使B球开始做自由落体运动；

(5)观察绿色指示灯的发光情况，当金属球A、B同时到达同一水平线时，两个绿色指示灯同时发光；

(6)通过滑轨改变水平方向的红外线传感器和金属接近开关的位置，重复实验.

实验结论：在实验中，多次改变滑轨上的红外线传感器与金属接近开关的相对位置，均能够观察到绿色或者白色的指示灯同时发光，说明A、B小球在运动过程中始终位于同一竖直高度，A、C小球在运动的过程中在水平方向上始终保持相等的位移.由此可以说明：平抛运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动.

5 实验器材的拓展使用

运用外设拍摄设备将实验时的画面拍下，通过慢放镜头和截图的配合可以将实验的直观性做到最大化，让同学在看到指示灯发光情况的同时也清楚看到A、B、C三个金属球的运动轨迹.当使用多功能平抛运动演示仪探究平抛运动水平方向的运动性质时，可采用手机拍摄得到实验的慢放镜头，截取其中某一时刻图像(见图8).同理，探究平抛运动竖直方向运动性质时，可同样截取其中某一时刻的图像(见图9).调整传感器位置重复实验，从截取的运动瞬间图片均可以清楚看到对比小球的瞬间位置，使实验效果更加具有直观性和说服力.另外，可以引导部分感兴趣的学生课后使用视频编辑软件提取相同时间间隔的帧图片，叠加后进行研究，其本质类似频闪照片.

图8 手机拍摄视频截图(水平验证)

图9 手机拍摄视频截图(竖直验证)

6 结束语

采用多功能平抛运动演示仪器开展教学具有多方面优势，可以培养学生科学探究能力，特别是培养学生质疑、创新和严谨的科学态度，落实学生核心素养培养.该实验装置原理易懂、易制作、易推广.该实验装置各部件可拆卸，便于携带，易于改装扩展.如调整电路可以同时对比平抛运动、同步竖直自由落体和同步匀速直线运动三个小球的运动，既可以用整装集成的开关电源装配到仪器上，也可以加入水平仪来调整轨道，加入光电门来调整对比轨道的初速度相同.另外，平抛运动演示仪稍作改装还可以完成其他实验，如碰撞实验、伽利略理想斜面实验等，做到一物多用.