运动的合成与分解实验仪，本文主要内容关键词为：分解论文,实验仪论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、设计背景
高中物理力学部分中“运动的合成与分解”的内容一直是教学中的难点。为了突破这个难点，教学中需要借助一些教学仪器，虽然教科书上安排了试管蜡块实验，但仍然有不少学生不能理解这部分内容。因此，教学中非常需要能够让学生亲自动手实验的器材，其实验仪器最好能够直观记录运动轨迹，同时也能够研究运动合成与分解的多种情况。我一直希望设计出这样一种仪器，一次偶然的机会，我从打印机打印头的移动得到启发，想到用一个滑动头同时套在相互垂直的活动杆上，当2根活动杆移动时，通过滑动头可以记录两个方向上运动的合运动。在这一基本思路确定以后，经过将近一年的设计、改进和制作，终于制造出比较成熟的“运动的合成与分解实验仪”（图1）。
图1 运动的合成与分解实验仪实物图
二、设计原理
2根滑动杆沿着相互垂直的方向运动，其交叉点就参与了这两个方向的运动，在交叉点装上1个滑动头，滑动头同时套在2根滑动杆上，滑动头会参与两个方向的运动，它的运动也就是两个相互垂直方向上运动的合运动。在2根滑动杆上分别装上1支记录笔，它们能记录下2根滑动杆的运动；在滑动头上也装上1支记录笔，就能记录下滑动头的运动；通过3支记录笔记下的轨迹，可以研究合运动与分运动的关系，进行运动的合成与分解。
三、仪器构造
如图2所示，仪器共由8个部分组成，现将它们的构造做具体介绍。
1.木板底座：用50cm×50cm的方木板做仪器的底座，四角底部用木片垫起，台面中心处留有38cm×38cm的方形下凹区域，用来放记录板，在方形区域的四角打下小孔，用来安装仪器的4根支柱。
2.固定支柱：取10cm高的2cm×2cm见方的不锈钢方柱，下方2cm开丝，用螺丝固定在木板底座的角上，在底座上方以5cm和7cm处为轴心，在相互垂直的方向上开出直径1cm的孔，用来插入水平固定杆，在与孔垂直的方向上装有固定螺丝。
3.水平固定杆：用长42cm、直径1cm的不锈钢圆柱插入固定支柱的小孔内，用螺丝固定，两组相互垂直的水平固定杆轴心上下错开2cm。
4.滑动套管：用内径1cm的直线轴承套在水平固定杆上，其内侧焊上1cm长、内径1cm的一小截圆管，用来插入水平滑动杆，外侧焊上长2cm、直径1.5cm的不锈钢圆柱，作为移动手柄。
5.水平滑动杆：在四边的滑动套管内侧的圆管中插入38cm长、直径1cm的不锈钢圆柱，它可以与滑动套管一起在水平固定杆上水平移动，两组相互垂直的水平滑动杆轴心上下错开2cm。
6.滑动记录头：它由3根相互垂直的圆管焊接而成，其中2根水平的圆管是直线轴承，它们套在水平滑动杆上，而竖直的圆管用来插入记录笔，滑动记录头可以同时随2根水平滑动杆一起移动。
7.记录笔：记录笔选用吸水软笔，一共有3支，其中1支装在滑动头上，另外2支装在固定于滑动套管上的竖直圆管内，每支笔的位置可上下调节，用圆管侧面的螺丝固定。
8.记录板：记录板为白底塑料板，外围尺寸为38cm×38cm，内部36cm×36cm的范围内刻有1cm×1cm的方格，记录板可以记下记录笔留下的轨迹。以便进行数据处理，用后可用湿布擦去墨迹，整个记录板放在木板底座上的凹槽内。
四、制作过程
1.器材准备：用做底板的50cm×50cm杉木木工板，高10cm的2cm×2cm见方的不锈钢方柱4根，长42cm、直径1cm的不锈钢圆柱4根，长38cm、直径1cm的不锈钢圆柱2根，内径1cm的直线轴承6个，内径1cm的不锈钢圆管3根，直径0.4cm固定螺丝11个，长2cm、直径1.5cm的不锈钢圆柱4根，长1cm、内径1cm的一小截圆管4根，内径0.8cm的螺帽和垫片各4个，吸水软笔3支，外围尺寸为38cm×38cm的内部刻有1cm×1cm方格的塑料白板，加工机床和焊接用具等。
2.制作加工：先按照设计方案画出具体的设计图纸，并给出各部件的具体规格，通过机床加工不锈钢方柱、不锈钢圆柱和不锈钢圆管，再将直线轴承、不锈钢圆管和不锈钢圆柱做相应焊接，最后安装调试，直到滑动套管和滑动记录头可以在不锈钢圆柱上自由滑动为止。
3.技术要点：整套仪器要求不锈钢元件的规格精准，特别是对平行度的要求很高，每个不锈钢元件都要经过数码机床的准确加工，不锈钢圆柱的尺寸与直线轴承要很好吻合，不锈钢元件在焊接时要迅速、准确，以防变形。还有一个重要的技术环节：将水平滑动杆插入滑动套管内侧的圆管中，而不是焊接固定，这样做的目的是便于滑动套管的移动。另外，整体安装后的调试也很重要。
五、使用方法
1.先熟悉器材的滑动情况，两位学生握住移动手柄沿两个方向移动滑动套管和水平滑动杆，观察滑动记录头的运动情况。
2.在木板底座放上记录板。在3根竖直圆管中装上记录笔，并调到适当高度。
3.两位学生相互配合，有规律地移动滑动套管和水平滑动杆，记录笔在记录板上记下相应的运动轨迹。
4.取出记录板，观察分析合运动与分运动的轨迹，研究它们的位移关系。
5.改变两个方向的运动性质，记下不同的运动轨迹，研究分运动的改变对合运动的影响。
6.一位学生用手握住滑动记录头随意移动，中心记录笔在记录板上画出不规则的形状，观察水平滑动杆的运动和另外2支记录笔记下的轨迹。
7.一位学生用手握住滑动记录头移动，让中心记录笔在记录板上画出圆形，观察研究水平滑动杆的运动和另外2支记录笔记下的轨迹。
8.整理记录笔和记录板，以备下次使用。
六、使用效果
本套仪器既可以研究运动合成的多种情况，又可以研究运动分解的多种情况。学生通过亲自动手和相互协作，能够研究运动的合成与分解的一些典型问题，借助直观的运动轨迹理解合运动与分运动的关系，知道一切平面上的运动都可以化作两个垂直方向上的直线运动。在实验活动中，学生积极热情，兴趣浓厚，于不知不觉中培养了他们的动手能力和合作能力，做完实验后，不仅印象深刻，而且也为以后学习示波器中电子束扫描等内容打下了良好的基础。
七、改进设想
针对实验中出现的运动性质难以控制的问题，我设想了两种改进措施：一种方式是改用链条与齿轮的传动方式，用摇把驱动，这样做的好处是便于控制。另一种方式是用调速电机牵引细线，细线再跨过滑轮带动水平滑动杆。通过电机来控制运动性质，应该更为精准。我相信经过上述技术改进，仪器的使用会方便一些，也会得到比较理想的实验效果。