基于智能手機(jī)的平拋運(yùn)動軌跡演示儀

羅慧 楊小芳

摘? ?要：電容式觸摸屏的透明玻璃夾層中含有特殊金屬導(dǎo)電物質(zhì)ITO，教具將手機(jī)與另一塊電容屏平行放置形成平行板電容器，當(dāng)小球靠近手機(jī)屏幕做平拋運(yùn)動時，無需接觸手機(jī)也可以同步顯示小球的運(yùn)動軌跡，具有一次成像、原理簡單、現(xiàn)象明顯、易于推廣的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：平拋運(yùn)動軌跡;自制教具;智能手機(jī)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）4-0046-2

探究平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)是平拋運(yùn)動教學(xué)的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，而平拋運(yùn)動的規(guī)律以及通過軌跡推算平拋運(yùn)動的初速度等運(yùn)動參量是建立在描繪出平拋運(yùn)動軌跡的基礎(chǔ)之上的。常用的平拋運(yùn)動軌跡獲取的方法有傳統(tǒng)手動描繪點(diǎn)跡[1-2]、觀察水平管中噴出的水流[1][3][4]以及利用二維平面運(yùn)動傳感器在計算機(jī)中顯示軌跡[1][5]等，存在有的需多次實(shí)驗(yàn)、有的無法留下痕跡、有的原理不直觀且成本較高等問題。經(jīng)過筆者的思考與實(shí)踐，設(shè)計出一套利用智能手機(jī)直接顯示金屬小球平拋運(yùn)動軌跡的器材，具有一次成像、原理簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，得到軌跡后還可利用多媒體技術(shù)對軌跡圖片進(jìn)行平拋運(yùn)動規(guī)律的研究。

1? ? 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)下智能手機(jī)已經(jīng)普及，屏幕多數(shù)為電容式觸摸屏，觸摸原理較為復(fù)雜[6]，簡單講是在玻璃夾層中有一層透明的特殊金屬導(dǎo)電物質(zhì)ITO，當(dāng)手指觸摸在屏幕上，觸點(diǎn)的電容就會發(fā)生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變化，通過測量頻率變化可以確定觸摸位置信息。那么，用一塊透明的電容屏和手機(jī)表面平行放置，兩塊屏幕表面都有透明金屬導(dǎo)電物質(zhì)，構(gòu)成一個平行板電容器，如圖1所示。當(dāng)直徑略小于兩板間距的金屬球通過時，手機(jī)感應(yīng)到電容發(fā)生了變化，即可獲取小球的位置信息。在手機(jī)中的畫圖軟件中同步“留下筆跡”，從而得到小球做平拋運(yùn)動的軌跡。

該教具由軌道、直徑為14 mm的小球、透明電容觸摸屏、面板A、面板B、智能手機(jī)、水平泡、重錘和底座等構(gòu)成，正面實(shí)物如圖2所示。

軌道是由兩塊相同的亞克力板和中間一塊高度略小的亞克力板粘合而成，軌道中間形成凹槽，凹槽寬度為6 mm，使小球在軌道上經(jīng)斜面加速進(jìn)入水平軌道，離開軌道后做平拋運(yùn)動。軌道厚度為15 mm，與面板A、B間的距離相等，夾在兩塊面板之間，水平軌道位于面板內(nèi)，下方開槽放入水平泡，如圖3所示。

亞克力面板A厚度為3 mm，其上開口并嵌合入一塊大小為227 mm×147 mm×1.5 mm的透明電容屏，使電容屏表面和面板A內(nèi)表面在同一平面上。透明電容屏為平板電腦的觸摸外屏，網(wǎng)上購買價格在30元左右。

亞克力面板B厚度為9? mm，其上開口160 mm×83 mm，在內(nèi)表面粘貼厚度為15 mm的擋板，在背面設(shè)置卡槽，用于卡住不同大小及型號的手機(jī)，同時使手機(jī)屏幕與面板B的內(nèi)表面在同一平面上，面板B背面如圖4所示。

小球做平拋運(yùn)動，不能與電容屏接觸，因此面板A、B內(nèi)表面之間的距離為15 mm，即略大于小球的直徑，一起固定在亞克力底座上，如圖5所示。

為了提高手機(jī)感應(yīng)小球位置的靈敏度，手機(jī)需打開觸摸屏手套模式（筆者使用的手機(jī)為華為暢享7），可以在手機(jī)“設(shè)置—智能輔助”中設(shè)置。

3? ? 實(shí)驗(yàn)步驟及效果

先利用手機(jī)中的畫圖軟件（筆者用獅子畫板）打開提前做好的坐標(biāo)系圖片，坐標(biāo)系實(shí)際單位長度為1 cm，點(diǎn)擊軟件中的畫筆使軟件處于畫圖模式，并將手機(jī)固定在手機(jī)卡槽內(nèi)的相應(yīng)位置，調(diào)節(jié)手機(jī)位置使小球的拋出點(diǎn)與坐標(biāo)系原點(diǎn)在同一位置。

然后，根據(jù)水平泡和重錘線調(diào)節(jié)支架的三個立腳，使小球水平拋出，且平拋運(yùn)動的軌跡和手機(jī)屏幕在同一平面內(nèi)。

調(diào)節(jié)好后將小球從斜面的某點(diǎn)釋放，小球在離開水平軌道后做平拋運(yùn)動，此時手機(jī)同步顯示小球在空中的運(yùn)動軌跡。從不同的點(diǎn)釋放可以得到不同的軌跡。由于手機(jī)屏幕較小，為了便于觀察可以用手機(jī)同屏軟件將手機(jī)畫面同步到電腦上進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)效果如圖6所示。

利用該器材顯示小球做平拋運(yùn)動的軌跡，操作簡單、快捷，具有極強(qiáng)的創(chuàng)新性與趣味性，加之學(xué)生經(jīng)常使用手機(jī)，對產(chǎn)生軌跡的方法容易接受。經(jīng)實(shí)踐該教具在課堂上的使用提高了課堂效率，對于提高學(xué)生對平拋運(yùn)動軌跡的直觀認(rèn)識有很好的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]馮永清，王林.平拋運(yùn)動演示儀的改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計[J].物理通報，2017（9）：69-71.

[3]孫策.基于教材方案的改進(jìn)與創(chuàng)新——平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)研究[J].物理教師，2017，38（12）：52-55.

[4]羅慧.由一道高考物理實(shí)驗(yàn)題談實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].物理之友，2018（2）：29-31.

[5]金松.DIS電磁定位平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)儀[J].物理教學(xué)，2017（2）：37-39.

[6]趙鵬昊.手機(jī)觸摸屏是如何工作的[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（11）：239.

（欄目編輯? ? 王柏廬）

收稿日期：2019-01-24

作者簡介：羅慧（1985-），男，中學(xué)一級教師，主要從事物理課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究，曾獲全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽自制教具二等獎，多篇論文在省級及以上期刊發(fā)表;楊小芳（1983-），女，中學(xué)二級教師，研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，曾獲衢州市賽課二等獎。