百发百中的抛体演示仪

浙江省宁波光华学校 叶德明 选自《物理教师》2008年第4期

抛体运动是学生在中学物理学习中第一次碰到的复杂运动。在日常生活中见得也多,有丰富的感性知识。但要真正领会平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动,还要费一番功夫。用课本(普通高中课程标准试验教科书,必修2,下同)第38页的实验装置来演示,原理是正确的,但仅依靠“看”和“听”,是有些牵强的,在一次课后,有学生提出疑问:人耳能区分两个声音的时间间隔是0.1s,实验时两球不同时着地也只能听到一个声响,能确认A球与B球是同时着地的么?笔者只能用频闪照片来加以解释。受此启发,笔者制作了抛体仪,用来表现平抛物体在竖直方向的分运动是自由落体运动。另外针对新课程所增加的斜抛运动的性质,此演示仪也可以很好的揭示,现介绍如下。

1.仪器部件的制作和装配

1.1部件的制作

图1①枪管和子弹:如图1,a为枪口,采用化学实验中的20mm×200mm的直筒玻璃管,绑上两根普通的灯头导线b;c是橡皮筋,用来将导线固定在玻璃管上;d是去掉外皮的芯线头,相互搭接做成自动开关。当子弹被气流吹出后,撞开搭接处,使电路中断,电磁铁失去磁性使靶球自由下落。e为杂木做成的子弹,直径略小于玻璃管内径,能在玻璃管中自由滑动即可,用杉木也行,便于加工,但质量小,易受外界干扰影响;f为直径6mm的螺杆,长60mm,上有六角螺母g(紧固时应另加垫片)和蝶型螺母h(紧固时同样应另加垫片)共同将螺杆固定在木制框架上。i为2mm×5mm×60mm的扁铁,与6mm螺杆垂直焊接,也可在扁铁中心部位钻一直径6mm圆孔,将螺杆压入再铆紧,用以绑住枪管;螺杆f共两根,另一根焊上30mm的扁铁,用来捆绑电磁铁j。

②电磁铁:利用实验室现有电磁铁,可免去制作麻烦,但需注意的是其体积不能太大,否则实验时吸上靶球后很难与子弹在同一竖直面下落。另一点是断电后的剩磁不能太大,以免影响靶球开始下落的时间,造成靶球与子弹不是同时开始自由下落。

③靶球:取实验室中单摆摆球即可,质量大小要与电磁铁的吸力相匹配,体积过小会增加瞄准难度,质量太小又容易受电磁铁和摆球共同的剩磁影响。

④电源:最好用学生电源,电压可随意调节,若剩磁影响大,还可以改用低压交变电流源。

⑤木制框架:用来固定枪管和电磁铁,使子弹在飞行过程中的轨道与靶球作自由落体的轨道共面,起始点等高。安装牢固不走样,达到百发百中。外形如图2。

图2

A为2.5cm×5cm×90cm的木板,于图示尺寸处钻小孔O1孔径6mm,插入6mm螺杆。B为2.5cm×2.5cm×60cm的长立柱两根,D为底座,尺寸不限,能使木框架放稳就行。A、B、D之间用榫头连接最好,考虑到加工技术的难度,用木螺丝连接也可,但要注意连接牢固不走形。C为2.5cm×2.5cm×60cm不与B连接的另一根方木,可上下移动,顶端中间开有小孔O2孔径6mm,插入6mm螺杆,用来固定电磁铁。B、C之间用打点计时器上的C型夹夹牢,若能在B、C间开上公母榫,做成滑槽,那么C既能上下滑动,在不用时又不与B分离,便于保管。

1.2 装配

将分别绑有枪管和电磁铁的两根螺杆,各插入小孔O1、O2中,再各用六角螺母和蝶型螺母调节各自距A板的距离,使子弹的轨迹与靶球的轨迹在同一竖直面上再紧固。调节C柱的升降使靶球球心与枪管轴心在同一高度,方法是用尺量,也可在靶球被电磁铁吸上以后,用肉眼从枪管中直接瞄准,当看到枪管前后管口中心与靶球中心在一条直线上,那么它们距A板的间距、距底座的高度也一定是相等的。

松开固定枪管的蝶型螺母,便可转动枪管a,可演示斜抛,当然此时装有电磁铁的方木C也应适当升高后再用C型夹紧固。

2.原理和使用方法

如图3所示,用导线将电源、枪口、电磁铁连成电路,将线芯d相互搭接,电磁铁就会将靶球吸住,用眼从玻璃管中瞄准后,就可装上木头子弹,用力对子弹吹气,子弹便在枪管中加速滑行,出枪口时便具有一定初速度,撞开搭接的导线芯d,使电路断开,电磁铁失去磁性,靶球与子弹同时在竖直方向自由下落,经时间t击中靶球。用不同的力气吹,子弹初速度也不同,击中靶球的高度也不同。由于枪管和电磁铁牢固地固定于木框架上,经瞄准(调节)后确定下的位置是不会改变的,所以可以百发百中。用于课堂演示,学生可以清晰地看到子弹击中靶球,再用米尺量出枪口和靶心距底座等高,配以适当的讲解,学生对平抛运动的理解就深刻多了。

图3

芯线d被子弹撞开后,因为没什么弹性,一般不会自动接通电路,所以二次装弹前,仍应先搭上芯线接通电路,吸上靶球,再次瞄准。

3.注意事项

(1)玻璃管与靶球间直接瞄准,由于玻璃反光,有一定难度,所以要与上面讲到的测量距离相配合,通过试验,逐步达到最佳效果。

(2)子弹出枪口撞开搭线,为了尽可能少影响子弹的速度,芯线只能取二、三股,其他的不要剪去,以备断电时产生的火花使芯线氧化而接触不良时换用。若全部用上,会因阻力较大造成子弹偏向而不能命中。

(3)演示斜抛,因为要转动枪管和升高C木柱上的电磁铁,必须现场瞄准,难度有些大,因此可以使用做记号、多瞄瞄,也是可以百发百中的。子弹斜抛时也能击中自由下落的小球不就说明子弹是斜方向的匀速运动和竖直方向的自由落体的合运动。将斜方向的匀速直线运动分解,便可得到课本上的结论了。

4.改进方法

(1)木框架加工有困难的,也可以用更简单的办法,就是把玻璃枪管和电磁铁分别夹在两个铁架台上,相距1m左右,量好高度和前后距离,配以瞄准,一样还会百发百中,演示斜抛当然要换高铁架台。

(2)自动开关若不用芯线搭接而采用数字测量仪上的光电门及配套的电磁铁,原理效果相同,会使设备更好些。

(3)若在木框架上钉上一大块漆上白漆的三合板并画上小方格,用频闪光源和数码相机在暗室里摄影,不但可以描绘出子弹做平抛运动的轨迹,更可做定量研究。我想这作为兴趣小组的活动内容应该是很好的,课堂上就没有那么多时间来探究了。

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发布时间:2009/6/22 下午1:15:15  阅读次数:8128

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