用留光布研究平拋運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

王剛 李廣興 楊天照

摘 ? 要：研究平拋運(yùn)動軌跡和運(yùn)動規(guī)律在教學(xué)中具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)利用材料的熒光效應(yīng)，創(chuàng)新傳統(tǒng)的留跡方法，獲得物體運(yùn)動的間斷性軌跡和全程軌跡，從而分析、研究物體的運(yùn)動規(guī)律。本案例結(jié)合了教材中的頻閃照片、描點(diǎn)作圖、擬合曲線等方法，利用紫色激光在綠色留光布上留跡，快速、簡潔，并可多次重復(fù)利用，有利于引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)探究，激發(fā)學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)和分析解決問題的興趣。

關(guān)鍵詞：熒光效應(yīng);平拋運(yùn)動;紫光;留跡

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）1-0075-4

以往研究平拋運(yùn)動的規(guī)律，我們通常使用的是打點(diǎn)留跡、頻閃照片、水柱留跡等方法，如圖1所示。

傳統(tǒng)的打點(diǎn)留跡法需要多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，操作不便;頻閃照片需要頻閃光源和照相設(shè)備，對于教育條件不太發(fā)達(dá)的地區(qū)不能很好地推廣使用;水柱留跡可以定性觀察，但不宜定量研究。本文研制的留光布留跡法，從節(jié)能、環(huán)保和方便諸多方面入手，形象、直觀地反映了平拋規(guī)律，器材簡單，而且可以實(shí)現(xiàn)材料的重復(fù)使用。

1 ? ?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

探究平拋運(yùn)動的規(guī)律。

2 ? ?實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)利用材料的熒光效應(yīng)，使編程后的頻閃激光圓盤在綠色留光布上留跡。通過提前建立的坐標(biāo)系可以讀出各點(diǎn)的位置坐標(biāo)，利用Excel數(shù)據(jù)處理軟件，可以擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)并得到平拋運(yùn)動的軌跡方程、水平方向的位移與時間關(guān)系、豎直方向的位移與時間關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)研究平拋運(yùn)動規(guī)律的目的。

經(jīng)過編程的激光圓盤可以實(shí)現(xiàn)兩個功能，功能1是打開開關(guān)讓激光筆處于長亮狀態(tài)，利用此功能可以在留光布上留下連續(xù)的平拋軌跡，使學(xué)生獲得感性的認(rèn)知。功能2是長按開關(guān)，讓激光筆實(shí)現(xiàn)頻閃狀態(tài)，頻率為40 Hz，即激光筆每0.025 s亮一次。利用此功能可以得到等時間間隔的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過記錄各點(diǎn)的位置坐標(biāo)，可以得到水平和豎直方向的位移-時間關(guān)系。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)器材

留光布、自制頻閃激光轉(zhuǎn)盤、透明坐標(biāo)紙、激光筆、刻度尺、電腦、斜槽。

器材簡介：

1.留光布

用光書寫，可將字跡和圖案呈現(xiàn)出來，一般2分鐘左右消失（圖2）。

2.自制頻閃激光圓盤

實(shí)物照片如圖3。

頻閃激光圓盤的制作過程如下：

①單片機(jī)。寬電壓版，2.8 V～5.5 V都可運(yùn)行，通過編程控制常亮的激光通斷。實(shí)物集成了復(fù)位電路，高精度可編程時鐘，該材料可以網(wǎng)上購買，具體如圖4所示。

②焊接實(shí)物圖。將電路板盡可能縮小，放置在一個圓形的盤內(nèi)，考慮到轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)動慣量帶來的影響，需要考慮對稱、配重問題，讓激光筆處在圓心處，保證圓心的運(yùn)動為平拋運(yùn)動，具體如圖5所示。

設(shè)置兩個程序 ，程序可以自由編程，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定頻率為40 Hz 較理想。開啟開關(guān)處于長亮狀態(tài)，長按開關(guān)1 s切換為40 Hz頻閃狀態(tài)。所編程序如下：

#include

#include

sbit jg=P5^4;

sbit key=P3^2;

unsigned char num;

void delay（unsigned int n） ?//@11.0592MHz

{

for（;n>0;n--）

{

unsigned char i， j;

_nop_（）;

_nop_（）;

_nop_（）;

i = 11;

j = 190;

do

{

while （--j）;

} while （--i）;

}

}

void main（void）

{

P5M1=0x00;

P5M0=0x10;

num=0;

while（1）

{

if（key==0）

{

delay（10） ;

if（key==0）

{

while（！key）;

num++;

if（num>1）

{

num=0;

}

}

}

if（num==0） ? //1HZ

{

jg=1;

// delay（500）;

//jg=0;

// delay（500）;

}

/* else if（num==1） ?//40HZ

{

jg=0;

delay（22）;

jg=1;

delay（3）;

}

3.透明坐標(biāo)紙

在薄膜上建立坐標(biāo)系，主要用于拓下光影軌跡，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，讓數(shù)據(jù)反映平拋運(yùn)動的情況。

4.激光筆

用于曝光較弱、能量不足時對留光布能量的及時補(bǔ)充。

5.刻度尺

對平拋的坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)的測量。

6.電腦、Excel軟件

收集數(shù)據(jù)，擬合曲線，尋找規(guī)律。

4 ? ?實(shí)驗(yàn)步驟

1. 將留光布固定在豎直的展示板上，將斜槽固定，調(diào)整斜槽末端水平。

2. 調(diào)整環(huán)境光線，使之盡可能較暗。

3.將自制頻閃激光圓盤設(shè)置在狀態(tài)一，即長亮狀態(tài)，從斜槽上某一位置靜止釋放，在留光布上留下痕跡（圖6）。

4.用透明坐標(biāo)紙拓下圓盤留下的痕跡，建立坐標(biāo)軸，取軌跡上的多個點(diǎn)，讀數(shù)填表（表1），并在電腦上描點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合（圖7），顯示方程。

5.將自制頻閃激光圓盤設(shè)置在狀態(tài)二，即激光筆在單片機(jī)控制下的頻閃狀態(tài)，從斜槽上某一位置靜止釋放，在留光布上留下痕跡（圖8）。

6.用激光筆及時補(bǔ)充因曝光能量小而逐漸變暗的點(diǎn)跡，用透明坐標(biāo)紙拓下圓盤留下的痕跡，建立坐標(biāo)軸，分析水平方向和豎直方向的運(yùn)動。如表2、圖9、圖10所示。

5 ? ?得出結(jié)論

1.平拋運(yùn)動的軌跡方程為：

y=0.0452x2+0.0028x-0.1334

該式為二次函數(shù)，故平拋運(yùn)動的軌跡為拋物線的一部分。

2.水平方向的位移-時間關(guān)系為：

y=3.2464x+3.3943

該式為一次函數(shù)，故水平方向?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動。

3.豎直方向的位移-時間關(guān)系為：

y=0.4735x2+1.0908x+0.0896

該式為二次函數(shù)，即豎直方向?yàn)閯蚣铀僦本€運(yùn)動。

6 ? ?儀器的優(yōu)勢和不足

該儀器既適合定性觀察運(yùn)動軌跡，又方便定量處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。除平拋運(yùn)動外，可以拓展做出自由落體運(yùn)動、斜拋運(yùn)動、碰撞以及簡諧運(yùn)動等眾多留跡實(shí)驗(yàn)。

使用大功率的激光筆做實(shí)驗(yàn)，避免用激光筆進(jìn)行能量補(bǔ)充時造成的誤差，效果可能會更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐忠岳.平面打點(diǎn)計時器的新設(shè)計與應(yīng)用[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015，44（6）：60-64.

[2]馬俊杰.巧用單反數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)頻閃功能[J].物理教學(xué)探討， 2012，30（12）：54.

（欄目編輯 ? ?李富強(qiáng)）