平抛运动分解演示器制作及实验探究，本文主要内容关键词为：分解论文,演示论文，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。
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。