多功能平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

焦政翰

(青海師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院 青海 西寧 810008)

田建民

(青海師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院 青海 西寧 810008;高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院 青海 西寧 810008)

平拋運(yùn)動(dòng)是高中物理必選課程第二冊(cè)曲線運(yùn)動(dòng)與萬(wàn)有引力定律主題下的重要物理模型,2020年版普通高中物理課標(biāo)要求:通過(guò)實(shí)驗(yàn),探究并認(rèn)識(shí)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.會(huì)用運(yùn)動(dòng)合成與分解的方法分析平拋運(yùn)動(dòng).體會(huì)將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分解為簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的物理思想[1].研究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,重點(diǎn)要討論平拋運(yùn)動(dòng)的速度、平拋運(yùn)動(dòng)的位移與軌跡.教材首先在實(shí)驗(yàn)探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律進(jìn)行了理論推導(dǎo).這一設(shè)計(jì)表明,實(shí)驗(yàn)在探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律中所發(fā)揮的重要教學(xué)價(jià)值.因此,選擇操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)裝置能夠提升課堂實(shí)驗(yàn)操作效率,助力學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng).

1 教材實(shí)驗(yàn)方案和裝置的分析

人教版普通高中物理教科書(shū)必修第二冊(cè)中,提供了兩種探究平拋運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)方案[2].如圖1所示,利用頻閃拍照技術(shù)獲取小球做平拋運(yùn)動(dòng)的頻閃照片,記錄小球水平方向和豎直方向的位移隨時(shí)間變化的具體數(shù)據(jù),獨(dú)立分析水平方向和豎直方向小球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.圖2為使用兩種實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行探究的示意圖.如圖2(a)所示,用小錘擊打彈性金屬片,A球做平拋運(yùn)動(dòng);同時(shí)B球下落,做自由落體運(yùn)動(dòng),比較兩小球落地時(shí)間的先后,探究平拋運(yùn)動(dòng)豎直分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn).如圖2(b)所示,將鋼球從斜槽某一高度釋放,從水平末端飛出做平拋運(yùn)動(dòng),落在水平擋板N上.上下調(diào)節(jié)擋板N,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn),在白紙上留下多個(gè)印記點(diǎn),并用光滑曲線將其連接,得到小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,進(jìn)而利用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)探究平拋運(yùn)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn).

圖1 小球做平拋運(yùn)動(dòng)的頻閃照片

圖2 探究平拋運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的兩種實(shí)驗(yàn)裝置

以上兩種方案在課堂教學(xué)中都有著廣泛的應(yīng)用,但通過(guò)實(shí)際操作,兩種實(shí)驗(yàn)方案也顯露出一些不足.

(1)利用頻閃照相技術(shù)拍攝實(shí)驗(yàn)過(guò)程,操作難度較大,產(chǎn)生的圖片文件多,數(shù)據(jù)處理麻煩,實(shí)驗(yàn)精度較低,且頻閃照相需要在黑暗環(huán)境中進(jìn)行,不便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展.

(2)圖2(a)所示裝置通過(guò)兩個(gè)小球下落撞擊地面的聲音對(duì)豎直方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述,但操作發(fā)現(xiàn)由于小球重力原因,很難在金屬片與擋板之間將其卡穩(wěn),容易發(fā)生掉落.

(3)圖2(b)所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)需要重復(fù)多組,還需控制每一次小球釋放的高度相同,實(shí)驗(yàn)操作繁雜、耗時(shí)長(zhǎng),并且實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程時(shí)間很短,很難通過(guò)肉眼直觀觀察小球做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡.

為了完善教材中實(shí)驗(yàn)裝置的不足,筆者創(chuàng)新設(shè)計(jì)多功能持續(xù)性平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置.

2 裝置的設(shè)計(jì)與制作

2.1 裝置的制作材料

利用CAD軟件繪制的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示.

圖3 多功能平拋運(yùn)動(dòng)裝置示意圖

制作所需的主要材料有:透明有機(jī)玻璃板、有機(jī)玻璃圓管、有機(jī)玻璃彎頭、鋁合金雙軸心直線SGR導(dǎo)軌(L=50cm)、7字形鎖SGB滑塊、小鐵球、電磁鐵、導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、直流電源、抽水裝置、儲(chǔ)水槽、4分出水口5mm開(kāi)關(guān)、橡膠軟管、硬質(zhì)泡沫板、透明塑料坐標(biāo)紙(30cm×60cm)、刻度貼紙、白板筆等.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

2.2.1 制作裝置正面

(1)透明有機(jī)玻璃板豎直固定于硬質(zhì)泡沫板上.在有機(jī)玻璃板上打孔,并用螺絲將鋁合金導(dǎo)軌豎直安裝在有機(jī)玻璃板左側(cè).

(2)裁切相同長(zhǎng)度的有機(jī)玻璃圓管,彎頭分別安裝在兩個(gè)圓管一端.利用熱熔膠將兩個(gè)組裝好的圓管軌道固定在滑塊上,并且保證兩個(gè)軌道彎頭管口水平.滑塊豎直插入導(dǎo)軌中,基本完成傾斜軌道的制作.

(3)將兩個(gè)5V電磁鐵串聯(lián)在直流電源兩端,電路閉合電磁鐵有磁性將兩個(gè)鐵球吸引,然后放置在傾斜圓管軌道口.

(4)為防止兩鐵球發(fā)生碰撞后滾落,在硬質(zhì)泡沫板底部周?chē)潭〒醢?

2.2.2 制作裝置背面

(1)為了使用方便,利用單片機(jī)HT66F004、電泵等部件搭建了可充電式電動(dòng)抽水裝置.電動(dòng)抽水系統(tǒng)由HT66F004控制模塊、外設(shè)模塊和供電模塊組成.其中控制模塊是8位具有高性能精簡(jiǎn)指令集的Flash單片機(jī)HT66F004,其具有多個(gè)定時(shí)器模塊用于PWM輸出、單脈沖輸出、捕捉輸入等,可以用來(lái)控制LED系統(tǒng)和電泵驅(qū)動(dòng)等;外設(shè)模塊主要由按鍵、LED燈和電泵組成,主要用于驅(qū)動(dòng)和指示抽水系統(tǒng)的工作狀況;供電系統(tǒng)主要包括兩部分,分別為電壓檢測(cè)及充電檢測(cè),電壓檢測(cè)用于監(jiān)測(cè)當(dāng)前電源中的電量情況,充電檢測(cè)為電源充電提供保護(hù).電動(dòng)抽水裝置搭建框圖如圖4所示.

圖4 電動(dòng)抽水裝置搭建框圖

(2)利用有機(jī)玻璃板制作盛放水泵的盒子和兩個(gè)儲(chǔ)水槽.在盒子側(cè)邊和底部開(kāi)孔,將抽水裝置安裝在內(nèi)部,盒子整體固定在滑塊上.金屬導(dǎo)軌用直角金屬支架豎直安裝在硬質(zhì)泡沫板一端,將滑塊插入導(dǎo)軌.

(3)在儲(chǔ)水槽1和金屬導(dǎo)軌上粘貼塑料刻度紙,便于讀取水柱射出的初始高度和水平方向射出的距離.同時(shí)在有機(jī)玻璃板上粘貼透明塑料坐標(biāo)紙,便于確定坐標(biāo),繪制平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.

3 實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)處理

3.1 水平方向的運(yùn)動(dòng)

打開(kāi)控制電磁鐵電路的開(kāi)關(guān),電磁鐵通電時(shí)有磁性,將吸引小鐵球.并將兩個(gè)電磁鐵同鐵球一起分別放置在上下傾斜圓管管口處.斷開(kāi)開(kāi)關(guān),電磁鐵的磁性消失,兩個(gè)小球同時(shí)在傾斜圓管軌道中下滑,滑出軌道彎頭.若不計(jì)空氣阻力和摩擦力,上方鐵球做平拋運(yùn)動(dòng),下方鐵球做勻速直線運(yùn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)者能夠觀察到兩個(gè)小球發(fā)生碰撞的現(xiàn)象,聽(tīng)見(jiàn)兩個(gè)小球相碰的聲音.滑動(dòng)滑塊改變上方小球做平拋運(yùn)動(dòng)的高度,發(fā)現(xiàn)不論高度如何變化,兩鐵球都會(huì)發(fā)生碰撞.進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論:兩個(gè)鐵球在水平方向的位移相同,即上方做平拋運(yùn)動(dòng)的鐵球在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng).

3.2 豎直方向的運(yùn)動(dòng)

為了使平拋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)持續(xù)地進(jìn)行,選用一股細(xì)小的水流,讓其水平持續(xù)射出.若將水流分割為很小的水柱段,每一段都可視為質(zhì)點(diǎn).因此,將小球的平拋過(guò)程轉(zhuǎn)換為無(wú)數(shù)個(gè)連續(xù)的質(zhì)點(diǎn)平拋運(yùn)動(dòng),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)平拋軌跡的持續(xù)性演示[4].

將抽水裝置的橡膠管放入儲(chǔ)水槽1中,并在儲(chǔ)水槽1中注入足夠的水.如圖5所示,打開(kāi)抽水裝置和出水開(kāi)關(guān),形成一股持續(xù)噴出的細(xì)小水流.用白板筆在透明有機(jī)玻璃板背面的坐標(biāo)紙上標(biāo)記水流噴出的初始位置,并建立直角坐標(biāo)系.如圖6所示,在坐標(biāo)紙上從初始位置開(kāi)始依次在水平方向選取等間隔的多個(gè)點(diǎn),分別標(biāo)記為x1、x2、x3、….以x1、x2、x3、…為橫坐標(biāo),在坐標(biāo)紙上描出與噴出的水柱上等高的一系列對(duì)應(yīng)點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)標(biāo)記為y1、y2、y3、….

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置演示水柱的噴射

圖6 實(shí)驗(yàn)操作獲取的坐標(biāo)紙

實(shí)驗(yàn)1中,探究得出平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的分運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng).初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)在相同時(shí)間間隔內(nèi)的位移之比為s1:s2:s3:…=12∶22∶32∶….若y1:y2:y3:…=12∶22∶32∶…則可以說(shuō)明噴出的水柱豎直方向的運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,各點(diǎn)縱坐標(biāo)之比接近12∶22∶32:…,故平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向的分運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng).

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)得x、y的具體數(shù)值

3.3 平拋運(yùn)動(dòng)水平初速度的計(jì)算

由實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2已經(jīng)證明了平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng),豎直方向的分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng).水平方向勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度也可以通過(guò)兩種方案計(jì)算獲得.

表2 方案1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 方案2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 方案2測(cè)算平拋運(yùn)動(dòng)水平初速度的操作

3.4 不同初速度平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的演示

通過(guò)實(shí)驗(yàn)1證實(shí)了平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的分運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng),水柱噴出的高度一定時(shí),水柱中各小段做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間也相等.如圖8所示,調(diào)整出水開(kāi)關(guān)的閥門(mén),不斷增大水柱的水平初速度,其在水平方向射出的位移隨之增大.

圖8 不同初速度平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的演示

3.5 不同高度平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的演示

通過(guò)實(shí)驗(yàn)2證實(shí)了平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向的分運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng),水柱噴出的水平初速度一定.如圖9所示,調(diào)整滑塊不斷減小水柱的噴出高度,水柱中各小段運(yùn)動(dòng)時(shí)間也不斷減小,其在水平方向射出的位移隨之減小.

圖9 不同高度平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的演示

3.6 驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)軌跡是拋物線

同實(shí)驗(yàn)1,用白板筆在透明有機(jī)玻璃板背面的坐標(biāo)紙上標(biāo)記水流噴出的初始位置,并建立直角坐標(biāo)系.透過(guò)有機(jī)玻璃板,參考水柱的流動(dòng)曲線,任意選取如表4所示的多個(gè)點(diǎn).如圖10所示,利用Origin軟件繪制散點(diǎn)圖,使用軟件已有函數(shù)y=axb進(jìn)行模擬,擬合得到參數(shù)a=0.544,b=1.97.擬合函數(shù)與二次函數(shù)極為接近,所以證實(shí)平拋運(yùn)動(dòng)軌跡是拋物線.

表4 實(shí)驗(yàn)選取點(diǎn)的坐標(biāo) cm

圖10 Origin擬合平拋運(yùn)動(dòng)軌跡

4 多功能平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)勢(shì)

(1)利用電磁鐵電路的通斷,控制平拋運(yùn)動(dòng)小球和勻速直線運(yùn)動(dòng)小球運(yùn)動(dòng)的同時(shí)性,從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)獲取信息,探究平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的分運(yùn)動(dòng).

(2)持續(xù)水平噴射的細(xì)小水柱替換小球,實(shí)現(xiàn)平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的持續(xù)性演示,并結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律,定量討論了平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向的分運(yùn)動(dòng).

(3)調(diào)整出水開(kāi)關(guān)和滑塊高度,能夠演示不同初速度和不同高度平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的變化,通過(guò)現(xiàn)象的分析,加深學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí).

(4)透過(guò)有機(jī)玻璃板,參考水柱的軌跡,可以便捷地選取坐標(biāo),繪制平拋運(yùn)動(dòng)軌跡.

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)器具的改進(jìn)與開(kāi)發(fā)總是針對(duì)教學(xué)主題或教學(xué)內(nèi)容,利用生活與社會(huì)資源設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)總體上要適合實(shí)際課堂教學(xué),利用人的感官直接感知或借助技術(shù)手段能夠間接接觸感知物理現(xiàn)象,輔助抽象物理概念和規(guī)律的建構(gòu)整合.開(kāi)展教具的設(shè)計(jì)與制作,不僅能夠提升教師的知識(shí)水平、創(chuàng)新思維、專業(yè)素養(yǎng),而且通過(guò)自制教具開(kāi)展課堂教學(xué),能夠打造出具有特色的教學(xué)環(huán)境,通過(guò)立體、直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有效激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究欲望,拓展物理學(xué)習(xí)視野,助推物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展.