平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的新改進(jìn)

石勇

摘? 要：平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理最基本、最常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)，但由于實(shí)驗(yàn)器材可操作性差，使得實(shí)驗(yàn)效果不太理想。文章比較了教材中常見(jiàn)的三種實(shí)驗(yàn)器材原理的優(yōu)劣，提出采用潛水泵抽水，用水流平拋來(lái)代替小球平拋的方法。

關(guān)鍵詞：平拋實(shí)驗(yàn);裝置;水流平拋

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）9-0045-2

1? ? 儀器設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)

關(guān)于平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)在各種版本的教材中主要有3種不同的方法。其共同點(diǎn)是均選用小球作為平拋運(yùn)動(dòng)的模型。不同點(diǎn)是確定小球平拋運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的方法不一樣：（1）在硬紙片上挖與小球等大的圓孔，將其放在某一位置，小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穿過(guò)該孔，該孔的圓心即為小球的軌跡點(diǎn);（2）用略向內(nèi)傾斜且可上下升降的木條攔截小球，通過(guò)木條與豎直平面板的擠壓將其作用點(diǎn)記錄在白紙上;（3）采用人為視覺(jué)粗略描點(diǎn)法，先大致估計(jì)一點(diǎn)，再讓小球運(yùn)動(dòng)，然后較精確地確定一點(diǎn)。上述三種方法的共同缺點(diǎn)是“小球體積太大無(wú)法準(zhǔn)確定位”。

2? ? 改進(jìn)設(shè)想

選用一股細(xì)小的連續(xù)的水流平拋代替小球平拋，較好地呈現(xiàn)平拋狀態(tài)。再用學(xué)生激光光源定位，就能準(zhǔn)確地確定每處水流的位置。最初采用醫(yī)用輸水瓶輸水的方法讓水流平拋，但操作不易，效果不理想。筆者后來(lái)采用潛水泵抽水，這樣做水流可以平穩(wěn)流出，平拋效果較好。

3? ? 制作材料

潛水泵一個(gè)（品牌：昂特20W潛水泵;型號(hào)：AT-505;額定電壓/頻率AC220 V～240 V 50 Hz）;輸水管一根（約67 cm）;厚度為 0.4 cm的水晶板制作的平拋運(yùn)動(dòng)豎直平面板一塊;厚度為 0.9 cm的PVC材料制作的盒子及機(jī)械手各一個(gè);學(xué)生激光光源一個(gè);螺絲釘若干;吸管一支。

4? ? 裝置圖

裝置圖如圖1所示，工具箱及機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖如圖2、圖3所示。

裝置圖中對(duì)應(yīng)的分別是：①水槽;②潛水泵;③盒子;④盒蓋;⑤機(jī)械手;⑥學(xué)生激光光源;⑦透明水晶板;⑧細(xì)輸水管;⑨水平控制器。

其中，潛水泵為昂特20W潛水泵，型號(hào)為AT-505，額定電壓/頻率為AC220 V～240 V 50 Hz。

5? ? 技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)表1）

6? ? 制作方法

（1）用PVC材料制作儀器盒子（含盒蓋）。儀器盒的主要功能是盛水，但考慮到整個(gè)裝置的功能，因此要將盒子分隔為兩部分，一部分為水槽，另一部分為機(jī)械手裝置的位置。

（2）用透明的水晶板制作平拋運(yùn)動(dòng)軌跡記錄板。在盒子與盒蓋之間，用可轉(zhuǎn)動(dòng)的合頁(yè)將水晶板的一端與盒子相連。使用合頁(yè)目的有兩個(gè)：①方便折疊，便于攜帶;②可調(diào)板面豎直。

（3）用PVC材料制作機(jī)械手。先用PVC材料分別制作長(zhǎng)19 cm、16 cm的兩窄條;再將兩窄條用螺母相連，構(gòu)成可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)。然后將機(jī)械手下端用螺母與盒子底相連，構(gòu)成另一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，機(jī)械手的上端安裝一個(gè)金屬夾（用于安裝激光筆）。

（4）用PVC材料制作水平控制器。用PVC材料制作一小方塊（3 cm×2 cm），先在上端打一個(gè)小孔穿過(guò)兩端，再將吸管嵌入內(nèi)（注意該吸管要與小方塊的上棱邊相平行），然后在吸管里穿過(guò)細(xì)輸水管，并且固定。其出水端與小方塊相齊，最后將其用螺母安裝在透明水晶板左上方距盒底35 cm處。注意松緊適當(dāng)，要可轉(zhuǎn)動(dòng)，可固定。

（5）安裝潛水泵。在水槽左側(cè)壁安裝潛水泵，將細(xì)水管一端連接在潛水泵的出水口處。

（6）將學(xué)生激光光源安裝在金屬夾上。金屬夾有兩個(gè)作用：①固定激光器;②可以控制激光器開(kāi)關(guān)。

7? ? 使用方法

（1）將小球放在水平控制器上方，若小球在任意處平衡，則細(xì)水管出射速度水平。

（2）在透明水晶板的背面用透明膠貼上一張白紙。

（3）在出水口正下方的小釘上懸掛一重錘線，前后調(diào)整水晶板的位置，讓水晶板豎直。

（4）調(diào)整學(xué)生激光光源，垂直照射細(xì)水管出口，用鉛筆將光斑的圓心記錄在白紙上，并作為坐標(biāo)的原點(diǎn)。用同樣的方法將重錘線的方向記錄在白紙上。

（5）將潛水泵與電源接通，水流水平射出。在水流曲線上選取若干點(diǎn)，用學(xué)生激光光源垂直照射，在白紙上記錄下各光斑圓心的位置。

（6）取下白紙，連接坐標(biāo)原點(diǎn)與重錘線上另一點(diǎn)，作為y軸，通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)作垂直y軸的x軸，將各點(diǎn)用平滑的曲線連接起來(lái)。

（7）在曲線上選取幾點(diǎn)，測(cè)量出各點(diǎn)的x、y值，代入公式求出初速度的大小，最后求其平均值。

8? ? 注意事項(xiàng)

（1）若潛水泵出現(xiàn)噪音，則是出水量與進(jìn)水量不匹配造成的，可在潛水泵出口的輸水管上打些小孔，讓多余的水從四周流出，從而調(diào)節(jié)平衡。

（2）水流速大小可通過(guò)調(diào)節(jié)潛水泵與細(xì)水管的銜接深度來(lái)調(diào)節(jié)。

（3）水槽中沒(méi)有水時(shí)，切勿接通潛水泵電源開(kāi)關(guān)。

（4）每隔一段時(shí)間要給螺絲釘打潤(rùn)滑油，防止生銹。

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(kāi)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1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]胡博.平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018（4）：29.

[3]劉明忠.“平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)的分析與再改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2017（12）：28-30.

（欄目編輯? ? 王柏廬）