平抛运动是高中物理教学的一个难点,特别是其运动分析是该节课的教学重点和难点,是学生分析其他复杂运动的基础知识。由于平抛运动的运动轨迹和速度矢量分析比较复杂,只有借助教学仪器演示才能使学生理解和掌握。目前配备的教学仪器是“平抛竖落仪”,虽然其工作原理简单,但对于实验的观察和分析效果却不太理想。为此,笔者设计了在平抛运动、水平匀速运动、自由落体运动上能分别做独立运动分析,又可以同时做综合运动分析的“平抛运动分解演示器”,该仪器很好地解决了其运动学上的运动观察、矢量分解的教学难题,且其制作简易。

一、仪器制作

1.操作面板的准备

如图1所示,制作好1块60 cm×45 cm的面板架。

2.各部件的制作与安装

如图1所示,A为平抛运动控制电磁铁,B为水平运动控制电磁铁,C为自由落体控制电磁铁,用漆包线绕在软铁上制作而成。1为平抛运动轨道,2为水平运动轨道,用厚工形或C形槽铝合金弯制而成,两铝槽高度差相同。3为光电门,其中D1为发光二极管,D2为光敏二极管,用黑色小管封套。7为电源开关,8为A,B电磁铁控制开关,4,5,6为钢珠,9为底板。

如图2所示,10为电池盒,11为连接导线,12为DC 3 V电磁继电器,13为三极管电流放大器(1 W音频功放管)。

将上述元件安装在操作面板上后,将其中的电路元件根据图3所示的电路图连接好,至此,实验仪器制作完毕。

二、工作原理

如果此时将A,B钢珠的控制开关8断开,电磁铁A,B断电,则钢珠4,5自由下滚。当钢珠4下行至即将做平抛运动的瞬间,挡住光电门的光,光敏二极管D2不导通,导致三极管也不导通,电磁继电器12断开,电磁铁C断电,钢珠6与钢珠4同时下落(钢珠6与钢珠4高度相同)。这时,钢珠4做平抛运动,钢珠5做水平匀速运动(摩擦力可忽略),钢珠6做自由落体运动。

三、实验探究

1.观察平抛运动

首先将电源开关和A,B钢珠控制开关闭合,使电磁铁A吸住钢珠4。然后将控制开关8断开,钢珠4将做平抛运动,并将钢珠4落点处标记为M。将此过程用数码摄影机录下并用计算机慢速播放,描绘出平抛运动轨迹。最后,引导学生完成平抛运动的速度定性分解。因为学生已有力学矢量分解的基础,所以很容易就能指出可分解为水平方向上和竖直方向上的2个分量。

2.实验猜想与探究

提出猜想:物体在做平抛运动时,在水平方向上和竖直方向上的2个分量的速度如何做定量分析呢?

通过激烈的讨论,学生提出下列猜想:

(1)在水平方向上做匀加速运动。

(2)在水平方向上做匀减速运动。

(3)在水平方向上做匀速运动。

(4)在水平方向上的分量做匀速运动。

(5)在竖直方向上的分量做匀速运动。

(6)在竖直方向上的分量做匀加速运动,与自由落体相同。

3.验证猜想

(1)观察平抛运动与水平方向速度分量。提出疑问:哪个钢珠先到达M点?

将电源开关和A,B钢珠控制开关闭合,使电磁铁A,B分别吸住钢珠4,5,然后将控制开关8断开,可以观察到两钢珠同时到达M点并相撞。将此过程用数码摄影机录下并用计算机慢速播放。

结论:两钢珠在水平方向上速度相等,并做匀速运动。

(2)观察平抛运动与竖直方向速度分量。提出疑问:哪个钢珠先到达底板?

将电源开关和A,B钢珠控制开关闭合,使电磁铁A,C分别吸住钢珠4,6。然后将控制开关8断开,当钢珠4下行至即将做平抛运动时,挡住光电门的光,光敏二极管不导通,导致三极管也不导通,电磁继电器12断开,电磁铁C断电,钢珠6与钢珠4同时下落。由于钢珠6与钢珠4高度相同,可以观察到钢珠6与钢珠4同时下落的速度和高度相同,并同时到达底板,整齐地发出“咣”的一声响。将此过程用数码摄影机录下并用计算机慢速播放。

结论:钢珠4下落速度与自由落体相同。

(3)同时观察平抛运动与竖直方向、水平方向的速度分量。

将电源开关和A,B钢珠控制开关8闭合,使电磁铁A,B,C分别吸住钢珠4,5,6。然后将控制开关8断开,钢珠4,5同时向下滚。当钢珠4下行至即将做平抛运动时,挡住光电门的光,电磁继电器1断开,电磁铁C断电,钢珠6与钢珠4同时下落,钢珠5做水平匀速运动,可以观察到钢珠4与钢珠5,6分别在水平和竖直方向上的速度和位移相同,并同时在落点处相遇。将此过程用数码摄影机录下并用计算机慢速播放。

结论:物体在做平抛运动时,在水平方向上的分量是匀速运动,在竖直方向上的分量是自由落体运动。

四、实验拓展与开发

该实验仪器是用光传感器作为同步控制器的,符合传感器的一般工作原理:发射信号→接收信号→放大信号→控制。因此,也可将其作为传感器原理演示使用,帮助学生摘下传感器的神秘面纱,激发学生进行科学探究和科学实践的热情。例如,向学生介绍光电门的控制原理和控制电路;让学生亲手遮住光电门,或用手电照射光敏二极管,观察发生的现象;与学生谈谈传感器的设想与开发,如将光敏二极管更换为热敏电阻等。