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平抛运动演示仪的自制与实验创新

范文

袁小堂

摘? ?要：文章以教材[1]提供的参考实验为基础，对高中平抛运动实验仪器加以改进创新，以使学生更直观、简单地研究平抛运动规律。将智能手机的录像功能与实验结合起来，提高轨迹描绘的准确性和数据的可读性。

关键词：平抛运动;实验;智能手机

中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2019）8-0054-2

1? ? 问题的提出

普通高中物理教科书对“平抛运动”的研究，是以“做一做”的形式出现的。在研究平抛运动的规律时，教材上还介绍了各具特色的多种方法。因此，笔者根据教材提供的几种方案的特点，择其优点结合实际教学情况对实验器材进行适当改进，以期实验效果更佳。

2? ? 本实验需要解决的问题

1.平抛运动是高中学生学习牛顿运动定律后，第一次接触的曲线运动，平抛运动需要运用“化曲为直”的思想，这是教学的难点。因此，如何留下一条清晰、准确的轨迹，将这个运动轨迹描绘出来供学生观察和数据处理就是本节课的关键;

2.在定性研究平抛运动在竖直方向上的分运动是自由落体运动时，如何保证两个小球同时下落;

3.本实验要多次实验，如何保证小球每次做平抛运动的初速度相同。

3? ? 实验仪器的结构及功能

图1所示为平抛运动演示仪的实物结构。底座用三个调节螺丝支撑，用于调节抛体运动的初速度，使初速度方向水平。判断标准是重锤线与标定的竖线平行。

背景为带有标尺的坐标纸。一是增强视觉效果，便于观察小球的位置，二是能直接读出小球在某一时刻的位置坐标。

轨道为金属镀铬导轨（如图2所示），以减小摩擦力。1号小球沿斜面滑下后在水平轨道上做匀速直线运动;2号轨道倾斜部分与1号轨道相同，可以使做平抛运动的2号小球初速度与1号小球下滑到水平轨道上的速度相同。两小球在释放之前通过两个串联的电磁铁吸住，电磁铁的位置可以上下调节以改变平抛运动的初速度，当电路断电时，两个小球被同时释放。用于研究平抛运动在水平方向上的分运动。

3号电磁铁与2号轨道水平部分等高，2号小球水平抛出处有一个与3号电磁铁串联的“常通光电门”，当小球通过光电门时，3号电磁铁断电，3号小球即被自由释放，用以观察两个小球是否同时落地。此部分用于研究平抛运动在竖直方向上的分运动。

实验仪器在原有的基础上进行了改进，在描点记录平抛运动的轨迹方面还有新的方式。随着智能机的普及，“实验仪器”的选取也很方便，笔者在这节課中利用手机的录像功能记录小球的运动情况。视频的本质是图片，每一张图片叫作“帧”，图片按照顺序叠加出来，每隔一段时间播放一张图片，由于人类眼睛存在“视觉延迟”而感觉不到图片的变化，那么不断变换的图片看起来就是连续的，也就是视频。笔者发现，利用手机将平抛运动这个短暂的过程录制成视频，然后采用逐帧播放或者慢放的方式让学生进行观察能取得很好的教学效果。装置如图3所示。

在各大通用视频软件上，采用逐帧播放功能，可以观察平抛运动物体在任意时刻的位置。

4? ? 重要操作步骤

第一步：利用1号、2号小球同时落下，两个小球将会在轨道上发生碰撞，初步得出平抛运动在水平方向上的运动与匀速直线运动相同的结论;利用2号、3号小球同时下落，两个小球将会在空中发生碰撞或者同时落地的现象，初步得出平抛运动在竖直方向上的运动与自由落体运动相同的结论。

第二步：引导学生将手机录制功能设置不同帧数（一帧就是一张照片）。例如，将视频录制帧数设置为30帧，那么手机将在一秒钟内连续拍摄30张照片，每两张照片之间的时间间隔就是1/30 s。录制小球平抛运动过程。

第三步：在视频软件上采用慢放功能，观察小球的运动轨迹，将稍纵即逝的物理现象放慢。采用逐帧播放功能，读出一些时刻小球对应的位置。如图4所示。

第四步：利用数学方法判断该运动是否为平抛运动，计算出小球的初速度。

5? ? 注意事项

本实验装置应当放置在固定的水平桌面上，手机应当用手机支架固定，尽量避免晃动，以保证录制的画面清晰。

在断开开关释放小球时，应当让小球保持稳定，以使小球的初速度为零，小球每次做平抛运动的初速度都相同。

6? ? 自制教具的特点

1.仪器结构清晰，操作简单方便;

2.仪器底部左高右低，实验结束后小球自动滚落在右端，避免遍地找球的尴尬局面，增加实验操作的规范性;

3.光电门开关增加实验的准确性，光电开关灵敏度高，以保证平抛运动和自由落体运动的同时性;

4.背景为带有标尺的坐标纸，读数方便、准确;

5.利用手机录制运动过程的方法重复观看，增强可读性;每帧时间差固定，手机记录小球经历相同时间的位置，计时准确。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理（必修2）[M].北京：人民教育出版社，2010.

（栏目编辑? ? 王柏庐）

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