验证抛体运动规律的演示器，本文主要内容关键词为：演示论文,规律论文，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。
在高中、大学等物理教材中均有平抛运动、斜抛运动和竖直上抛运动等运动学的教学内容，了解和掌握这些抛体运动的规律是对学生的基本要求。由于这些运动较为复杂，要确定物体在任一时刻的位置和速度，达到控制运动的目的，有一定的难度。为了帮助学生认识和掌握这些知识，我们把这些运动分解为几个简单的分运动。但学生还是将信将疑，因为现有的教学设备，还没有这样的实验仪器能直观、生动地演示抛体运动规律。教师只能“纸上谈兵”，或做间接的演示实验进行验证，用小锤水平打击弹性压条，将靠近压条的小球抛出去，使小球做平抛运动，而被压条夹住的小球同时松开，做自由落体运动，叫学生仔细听着它们是否“同时着地”。因为是“同时着地”的，所以就“验证”了平抛运动是水平匀速直线运动和自由落体运动的合运动。对验证平抛运动还能勉强应付，但对斜上抛运动和竖直上抛运动的验证就束手无策了。学生缺乏感性认识，感到难学。
大学里有平抛运动演示器，可以演示平抛运动的物体在竖直方向做自由落体运动，但演示效果欠佳。它是利用电磁力将一个金属小球吸悬住，当另一个金属小球被弹出做平抛运动，在脱离枪口的时刻，自动切断电源，电磁力消失，被吸悬的小球脱落向下运动。观察两个小球是否在空中相撞。由于通电线圈的自感作用，电源切断后电磁力并不是立刻消失的，所以被吸悬小球的脱落与平抛小球的运动并不是同时进行的，并且这个时间差相对于小球的直径大小下落距离需要的时间来说，还是比较长的。因而演示效果不能令人满意，另外，该演示器也不能验证斜上抛和竖直上抛等运动规律。
能否研制一种较为理想的演示实验仪器，既能演示平抛运动规律，又能演示斜上抛和竖直上抛等运动规律，并能取得理想的演示实验效果。为了填补这项空白，改善物理教学实验条件，我把它列为本人的一项科研课题，经过多次的潜心设计，反复认证，终于研制成了验证抛体运动规律的多功能演示器。设计新颖、科学合理、功能独特；操作方便、灵活；演示生动、明了。这对提升物理教学手段，增加学生感性认识，激发学生学习物理兴趣，化解教学难点取得显著的效果。
一、该实验仪器构造及设计原理
如图1所示，主要零部件有：1.梁托，2.大梁，3.弹簧枪，4.圆环，5.拉手，6.水准仪，7.传动杆，8.支架轴，9.挡片，10.碰片，11.枪轴，12.传动杆左端，13.枪栓，14.枪钩，15.枪管，16.小球，17.支架，18.调节栓，19.小球，20.支杆，21.杆架.配件：中心带孔、半径约2cm的薄圆片1只，圆锥锤1只。
图1
大梁2是横截面为正方形框的长管，大梁2的左端是圆板形梁托1，在梁托1的斜上方距大梁2最近的棱线2cm处有一小圆孔，小圆孔中心到梁托1的中心的连线经过大梁2的后侧面上方棱线。在大梁2的下侧面（靠近左端）有弹簧枪3和圆环4，大梁2的上侧面有拉手5，大梁2的上侧面中间有水准仪6。弹簧枪3、圆环4、拉手5、水准仪6均固定在大梁2上。大梁2的下面有传动杆7（左边部分穿过圆环4和弹簧枪3的上方空间），在大梁2的右端附近的前后侧面有支架轴8。大梁2的右端有向下伸出的挡片9，挡片9可在大梁2的右端旋转或旋转取下，在挡片9的竖直中心线上有小圆孔（旋转挡片9使竖直中心线经过大梁2的里侧上方棱线时，挡片9上的小圆孔到该棱线的距离为2cm，并且挡片9上的小圆孔与梁托1上的小圆孔的连线平行于大梁2的棱线）。
弹簧枪3有枪管15，枪管15内有枪轴11，枪轴11上有多个圆环凹槽，枪轴11的左端是碰片10，在枪管15内的枪轴11上套有弹簧（在枪管外看不到），枪轴11的下面有枪栓13卡在其上，当枪轴11拉出不同长度时，枪栓13自动卡住枪轴11上的某个凹槽，使枪轴11停留在该位置（此时枪管15内的弹簧处在压缩状态），弹簧枪3有枪钩14，钩一下枪钩14，枪栓13随即脱离枪轴11。枪管15的右端枪口处可钳入小球16。大梁2有支架17，支架17的两条腿的长度可以由调节栓18调节，两条腿的上端分别套在支架轴8上，可绕轴转动。在大梁2下侧面（靠近挡片9）有固定杆架21，杆架2l上有上、下两个等大的圆孔，上圆孔跟圆环4的孔径等大，且在同一根中心轴线上，传动杆7从杆架21自右向左穿过杆架21的上圆孔，再穿入圆环4；跟传动杆7相连的有支杆20（同一根杆弯曲成“U”型），支杆20穿入杆架21的下圆孔，穿出的长度很短，刚好能悬挂住带圆孔的小球19（小球的圆孔套在支杆20上），当大梁2水平时，传动杆7、支杆20、枪管15、枪轴11均处在水平位置，并且它们的中心轴线在同一竖直平面内。钳入枪口处的小球16、悬挂在支杆20上的小球19的中心轴线跟枪轴11的中心轴线重合（在同一水平线上）。
当枪轴11的右端在碰击小球16的同时，碰片10打击传动杆左端12，传动杆7和支杆20立刻向右移动，瞬时小球16做平抛运动，小球19做自由落体运动，由于初始状态在不同地点的等高处，又是同时开始运动，根据理论上分析，平抛小球的运动是水平方向匀速直线运动与竖直方向自由落体运动的合运动，那么小球16与小球19必然在某一时刻在同一位置，发生相撞现象，从而验证了平抛运动的规律。
如果把梁托1的一端降低一个高度（支架17状态不变），则大梁2由水平位置变为倾斜状态，再从弹簧枪3射出的小球16就是做斜上抛运动，设斜上抛的初速度为
，初速度方向与水平方向之间的夹角为θ，把斜上抛运动分解成两个分运动：一个是水平方向以
的速度做匀速直线运动，另一个是以初速度为
的竖直上抛运动。因此，在t时间内这两个方向上的位移分别为
，从这两个表达式可知：①当θ=45°时，x有最大射程；②θ=30°和θ=60°的射程相等。我们可以通过该演示器进行验证。
水准仪6是封闭有色液体的玻璃管（内有小气泡），其他零部件均为金属材料组成。
二、演示功能及操作步骤
1.验证平抛运动规律
伸开支架17，使每条支腿长度相等，拧紧调节栓18，使其长度一定，两支脚放在水平地面上。把枪轴11拉出某个长度（记住露出的凹槽的个数），此时套在枪轴11上的弹簧被压缩了这个长度，松手后枪轴11就被枪栓13卡住不动。将传动杆7移至紧贴杆架21，使支杆20从杆架21的下圆孔穿出，使大梁2至水平，把小球16钳在枪管15的枪口处，小球19套在支杆20的杆头上。调整大梁2使水准仪6上的小气泡在中央位置，此时，大梁2、枪管15、枪轴11均处在水平位置，小球16、小球19处在不同位置的等高处。将梁托1紧贴身体适宜位置，另一只手握住拉手5，保持水准仪6的小气泡在中央位置不动，屏住气，钩一下枪钩14，枪轴11立刻在枪管15内的弹簧的弹力作用下，迅猛向枪管内运动碰击小球16，使其做平抛运动，在碰击小球16的同时，碰片10也猛力碰击传动杆左端12，使传动杆7及支杆20迅速向右移动，小球19立刻脱离支杆20做自由落体运动。片刻，看到小球16与小球19在空中发生相撞并发出“砰”的响声。
改变枪轴11拉出的长度（与第一次露出的凹槽个数不同），再重复做上述操作步骤，同样发生小球16与小球19在空中碰撞的现象。实验结果表明：小球16以不同的初速度做平抛运动都能与正前方等高处同一时刻做自由落体运动的小球19在空中碰撞，从而验证了做平抛运动的物体的其中一个分运动是竖直方向的自由落体运动。
2.演示斜上抛运动的物体的射程与抛射角的关系
将挡片9旋转90°，把传动杆7（及支杆20）向右抽出，卸下支架17，取一张大白纸放在长课桌上（桌面要平整），并在白纸上盖上复写纸。将枪轴11抽出某个长度（记住从枪轴11上露出的凹槽个数），把小球16钳在枪口处，枪口靠在课桌边缘，并保持与桌面等高。调整大梁2的倾斜角度，钩一下枪钩14，小球16飞出，掉落在桌面上，掀开复写纸，找出小球着落位置的复印痕迹，这个痕迹到枪口的距离就是斜上抛运动的射程x，把这个痕迹用笔圈起来，并标明对应的抛射角θ。
再将枪轴11拉出同样的长度，把小球16钳在枪口处，改变大梁2的倾斜角度（即以相同的初速，不同的抛射角做斜上抛运动），用类似上述操作步骤进行多次实验，分别得到多组对应的抛射角θ（如θ等于25°、30°、35°、45°、60°、70°……）和射程x（
……），结果发现：抛射角为45°时，有最大射程，抛射角为30°和60°时，两个射程相等。这与理论上的分析相吻合。
3.测算平抛运动的初速度
将挡片9旋转90°，抽出传动杆7（及支杆20），把支架17撑开并拧紧调节栓18，使其高度固定，架在平整的水磨石地面上，将枪轴11拉出一段（记住枪轴11上凹槽露出的个数），把小球16钳在枪口处，调节大梁2至水平位置，测出枪口中心离地面的高度h（在后面的实验操作过程中保持大梁2处在此状态）。在枪口的正下方放一张白纸并固定，白纸上放一张复写纸，把小球自枪口处释放，小球自由落下，掉落在复写纸上，在白纸上留下着落点A。钩一下枪钩14，注意观察从枪口飞出的小球16下落地点，在该地点处放一张白纸并固定，在白纸上放一张复写纸，按同一初速度（即枪轴11拉出的长度与起初拉出的长度相同），再次使小球16做平抛运动，落在前方的白纸上的着地点B，测量出A、B两点的距离x，根据平抛运动的规律
，得到小球做平抛运动初速度
，把测得的x、h数值代入公式，求出的大小即可。
4.验证竖直上抛运动规律
根据2.3中测算出的小球初速度（保持枪轴11拉出的长度与2.3中的拉出长度相同即可），用此初速度使小球做竖直上抛运动，小球的运动可分解为在竖直方向上是以的速度做匀速直线运动和以加速度为g的匀减速直线运动的合运动。则小球上升的最大高度应该是
。
取下支架17，把挡片9绕大梁2的中心轴线旋转135°，此时梁托1上的小圆孔与挡片9上的小圆孔在同一直线上，并与大梁2的棱线平行。抽出传动杆7，把梁托1放在水平地面上，此时大梁2基本竖直。用细线的一端系住小锥锤，细线的另一端穿过挡片9的小圆孔系住，细线长度以系住后悬挂的锥锤的尖端接近到达梁托1的小圆孔为宜。调整大梁2，使锥锤尖正对梁托1的小圆孔。此时，大梁2、枪管15及枪轴11均处在竖直位置，保持大梁2所处的位置不变，用细线穿过配件薄圆片并系在细线的一端，细线的另一端穿过杆架21的下方圆孔（支杆20穿入的圆孔）并系住。由于大梁2现在是竖直放置，所以此时悬吊的薄圆片在枪口的正上方，调节细线的长度，使薄圆片到枪口的高度差。然后以的初速度使小球16做竖直上抛运动，观察小球是否能到达上方薄圆片。实验结果是：小球非常接近薄圆片。这就与理论上的分析比较吻合，从而验证竖直上抛运动规律。
利用本演示器在做上述验证实验和测量实验时，操作方便灵活，功能众多，演示生动有趣，说服力强，学生非常感兴趣，都想亲手实验一番，有的做二、三次还不过瘾，它的问世对活跃学生创新思维，锻炼学生的动手能力，促进运动学知识的教与学起到事半功倍的效果。