CN105632295A - 一种斜向上抛物体运动规律简易抛射仪与研究方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种斜向上抛物体运动规律简易抛射仪，包括底座，所述底座下设置支撑腿，支撑腿上端设有长方体凹槽，在长方体凹槽中间固定有量角器与抛射枪，量角器与支撑杆固定，抛射枪可以随转动轴转动，抛射枪末端设有小球，抛射枪转动轴侧面设有固定螺丝，在小球所放位置后设有阻挡凸，在平行于小球运动轨迹所确定平面侧面竖直放置有方格屏；数码相机固定在支架上，数码相机视场覆盖整个定位抛体坐标的方格屏。本发明的有益效果是：结构合理，实验效果好。

Description

一种斜向上抛物体运动规律简易抛射仪与研究方法

技术领域

本发明专利涉及实验仪，尤其涉及一种斜向上抛物体运动规律简易抛射仪与研究方法。

背景技术

斜抛运动是中学物理教学中的一项重要内容，斜抛运动是以一定初速度将物体与水平方向成某一角度斜向上抛出，先是沿着曲线上升，升到最高点后又沿着曲线下降。为了学习上的方便，斜抛运动可以分解成两个方向上的分运动：一个是沿着水平方向上的分速度v_x＝v₀cosθ和竖直方向上的分速度v_y＝v₀sinθ，在水平方向上，物体不受力，做匀速直线运动，速度等于v_x，在竖直方向上做竖直上抛运动，初速度等于v_y。斜抛运动的教学重点为斜抛物体的运动规律及特点，教学难点为斜抛运动的两个分运动特点，而在中学实际教学中，严格的斜抛运动实验仪几乎没有，常常采用喷水方法来演示，采用保持容器内水面高度不变情况下，在容器底部设置一水管，一般是通过改变喷水嘴的方向来改变抛射角，在抛射角小的时候，射程随着抛射角的增大而增大，当抛射角达到45°时，射程最大，继续增大抛射角，射程反而减小，水流的射高一直是随着抛射角的增大而增大的。这样的实验仪很难保证在不同出水角度下，射出水的初速度相同，很难具体实现斜抛运动重点和难点的研究，再者，教师就是通过举一些发射炮弹的例子来帮助学生理解斜抛运动规律和特点的。采用这样一种演示仪不便于操作，演示起来也不太方便，而且不容易将斜抛运动教学的重点与难点讲清楚，更难以将斜抛运动进一步深入研究和剖析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足,提供一种结构合理，实验效果好的斜向上抛物体运动规律简易抛射仪与研究方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

这种斜向上抛物体运动规律简易抛射仪，包括底座，所述底座下设置支撑腿，支撑腿上端设有长方体凹槽，在长方体凹槽中间固定有量角器与抛射枪，量角器与支撑杆固定，抛射枪可以随转动轴转动，抛射枪末端设有小球，抛射枪转动轴侧面设有固定螺丝，在小球所放位置后设有阻挡凸，在平行于小球运动轨迹所确定平面侧面竖直放置有方格屏；数码相机固定在支架上，数码相机视场覆盖整个定位抛体坐标的方格屏。

作为优选：所述抛射枪包括射击枪杆和射击枪杆弹簧，所述射击枪杆弹簧尾部设有手拉环。

作为优选：所述底座上设有平衡块。

作为优选：所述方格屏为毫米方格屏或画布。

斜向上抛物体运动规律简易抛射仪的研究方法,包括如下步骤：

步骤一，仪器调节：将底座调成水平，将方格屏挂立在与抛射体小球运动轨迹(抛射枪转动)平面平行的侧面位置，使之成为抛射体小球运动投影背景，松开抛射枪固定螺丝，转动抛射枪，使之抛射枪中间指示线对准量角器中对应刻度；

步骤二，将数码相机支架放在对准方格屏画布的中央位置，根据室内明暗程度布设照明灯，并调节照明灯的亮度；

步骤三，钩住抛射枪的手拉环，将射击枪杆与射击枪杆弹簧一同拉起，将数码相机拨至动画状态，并在打开数码相机快门3秒钟后，放开抛射枪手拉环，抛射枪中的射击枪杆撞击小球，小球被射出并在空中运动，待小球落地，再按动快门停止动画拍摄。

本发明的有益效果是：

1、设计的简易抛射仪，实现了相同弹簧伸长长度下，不同斜抛角抛出的小球能够以相同的速度抛出的实验条件，以有利于研究抛射距离随抛射角的变化关系；

2、采用了毫米方格屏(画布)确定小球坐标位置，不但提高了实验精度，也有利于比较相同时间间隔抛射体(小球)在水平方向运动距离的变化情况，从而证明抛射体(小球)在水平方向做匀速直线运动，以及以怎样的抛射角抛出距离最远之目的；

3、采用了数码相机对抛射体(小球)进行动画拍摄，来确定抛射体(小球)时空位置，有利于研究抛射体(小球)的运动规律与特点。

附图说明

图1是整体结构示意图；

图2是抛射角为33.5°的整体结构示意图；

图3是抛射角为33.5°已拉起射击枪杆的斜抛装置状态图；

图4是抛射角为33.5°小球运动轨迹图；

图5是斜抛运动研究系统组合示意图；

图6是精度为1°的量角器；

图7是相隔1/15秒小球的各像点位置；

图8是excel拟合抛体轨迹；

图9是速度矢量三角形；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1所示为整体结构示意图，1、支撑腿，2、支撑杆固定螺丝，3、底座，4、平衡块，5、支撑杆，6、精度为1°量角器(如图6所示)，7、手拉环，8、抛射枪，9、射击枪杆，10、射击枪杆弹簧，11、固定螺丝，12、小球，13、钢球阻挡凸，14、抛角对准线，15、毫米方格屏(画布)。

如图5所示是斜抛运动研究系统组合示意图，01、数码相机支架腿；02、数码相机支架底座；03、数码相机上下移动支撑杆；04、数码相机；041、数码相机广角镜头；042、数码相机快门线；05、数码相机固定螺丝。

抛射体装置各部分间连接：

底座3下设置3个支撑腿1，支撑杆5用螺丝2固定于底座3上，底座3放一平衡块4，支撑杆5上端设置一长方体凹槽，在长方体凹槽中间固定一量角器6与抛射枪8，量角器6与支撑杆固定，抛射枪8可以随转动轴转动，转动至某一角度α是以抛射枪中间线14与量角器6对应刻度为准，小球12斜抛角度α固定后，抛射枪8将用抛射枪8固定螺丝11固定，实验时为了防止射击枪杆9被拉开小球12随射击枪杆9滚下，在小球12所放位置后设置一阻挡凸13，在小球12被抛出后，为了记录小球12在空中运动的瞬间位置，在平行于小球12运动轨迹(即抛射枪转动)所确定平面侧面竖直放置一毫米方格屏15，如图1所示；为了记录抛出小球12在空中运动轨迹，采用了数码相机04摄像，数码相机04固定在数码相机可以上下移动的支架03上，由数码相机04固定螺丝05固定，数码相机04带有广角镜头041，视场覆盖整个定位抛体坐标的毫米方格屏15，摄像开始与结束采用数码相机快门线042控制。如图1至图6所示。

实验步骤：

1、仪器调节：该实验需要两人配合来完成。将底座3调成水平，将毫米方格屏15挂立在与抛射体小球12运动轨迹(抛射枪8转动)平面平行的侧面位置，使之成为抛射体小球运动投影背景，松开抛射枪8固定螺丝11，转动抛射枪8，使之抛射枪8中间指示线14对准量角器6中对应刻度抛射角α；

2、将数码相机04支架01、02、03放在对准毫米方格屏画布15的中央位置，根据室内明暗程度布设照明灯，并调节照明灯的亮度；

3、一人用手钩住抛射枪8的手拉环7，将射击枪杆9与射击枪杆弹簧10一同拉起，另一人将数码相机04拨至动画状态，并在打开数码相机04快门042后大约3秒钟(数1、2、3)后，放开抛射枪8手拉环7，抛射枪8中的射击枪杆9撞击小球12，小球12被射出并在空中运动，待小球12落地，再按动快门042停止动画拍摄，数码相机04就会把小球12运动过程动画全部拍摄下来。

研究方法：

1、取下数码相机04中的磁卡，通过UBS接口接入电脑，从桌面上双击‘我的电脑’，进入界面后，从磁卡文件夹中剪切下有关动画文件，存入D盘或桌面上以“研究斜抛体小球运动”文件名的文件夹中；

2、采用Premiere、Photoshop等专用软件，进行分解合成。利用Premiere软件获得抛射体小球动画8帧照片，利用Phtoshop粘贴合成，得到不同瞬间抛射体小球在毫米方格屏为背景的瞬间状态；

Premiere的应用：

1从桌面上双击“Premiere”进入界面：

2单击“研究斜抛体小球运动”文件夹中的动画文件、打开，打开D盘或桌面上“研究斜抛体运动”文件夹中动画文件，按动电脑键盘上向右箭头键，每按一次播放一帧画面；当第一次出现有抛射体小球画面时，单击文件、素材输出、静帧，建立第一帧静止图片，然后关闭该帧静止图片；

3再按向右箭头键，出现第二张抛射体画面，用同样的方法建立第二帧静止的图片；如此类推，依次建立起所有小球分帧静止图片。每两帧图片拍摄时间间隔为1/15秒。

Photoshop的应用：

1利用Photoshop软件编辑功能中的拷贝和粘贴两功能，将每帧图片按顺序粘贴到第一帧的静止图片上去，以此类推，将抛射体小球运动的各个图片依次粘贴到一幅图上，并每次割去覆盖前面照片部分，直到将抛射体小球运动相应时刻所在位置粘贴完，即可得到一张抛射体小球所在位置图片图。如图7所示。

2从桌面上双击“Photoshop”，进入界面后，单击文件、打开，依次打开分帧静止图片，从图片上仔细观察判断获取抛射体小球所在位置坐标信息(x_i，y_i)，其中，x_i值向左为正，y_i值竖直向下方向为正，并依次记入表格中，比如：x₁、x₂、x₃、…x_i；y₁、y₂、y₃、…y_i。

实例分析：

1.抛射体运动拍摄与画面制作

1.1小球运动规律拍摄

为了提高实验拍摄效果与测量精度，为弥补实验室的亮度不足，合理放置两只新闻灯，以便达到毫米方格屏背景表面有较强的、均匀照度。调节毫米方格屏与抛射枪转动方向平面平行。

将数码相机设置为动画状态，设置数码相机每隔1/15秒暴光一次，在一人用手拉起手拉环同时，打开快门大约3秒(可数1、2、3)，放下手拉环，射击枪杆撞击小球，小球被射出，待小球落地，停止拍摄，数码相机就会将抛射体小球运动轨迹的动画拍摄下来。

1.2抛射体小球运动的分解与合成方法

在Premiere软件包支持下，将数码相机拍摄小球像的8幅图，通过按计算机键盘左、右移动键，一一将小球自出口至1、2…、8位置的8幅画面传入到计算机中，相邻图幅小球像位置曝光间隔为1/15秒。选择菜单文件→素材输出→静帧，以“抛体1”为文件名保存于桌面，如此循环可将第2帧、第3帧、…、第8帧，依次保存于桌面。

打开Photoshop图像处理软件包，在此界面下，分别打开“抛体1～8”所有文件，选择工具栏中矩形选择框工具→选择对象保存于桌面的各文件→图层复制，将包含小球像的“抛体2”文件部分复制，粘贴至“抛体1”图片上，并使其对应点重合，并割去覆盖“抛体1”文件小球像部分，使小球像点1裸露出来并组合，依次类推，可将图片3至8的小球像合成为一幅含有8个小球像的画面，如图7所示。

2.数据的攫取与处理

以抛体出口处A点为坐标原点，水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，建立直角坐标系。在此坐标系下，分别读取小球1～8个像点坐标，记入表格1。

表1:为相邻像点暴光时间与小球的对应像点

i(序号)	1	2	3	4	5	6	7	8
									时间t(s)	0	1/15	2/15	3/15	4/15	5/15	6/15	7/15
X向位置x(cm)	3.0	8.6	15.0	20.8	26.5	32.3	38.0	44.2
									y向位置y(cm)	2.5	11.9	17.0	27.3	13.7	5.5	-7.2	-24.6

从表1可以获得相隔1/15秒x位置间隔为5.6cm、6.4cm、5.8cm、5.7cm、5.8cm、5.7cm、6.2cm，其平均距离可以看出在水平方向做匀速直线运动，其速度为：v_x＝5.9/(1/15)＝88.5(cm/s)。

将表1中小球8个像点坐标输入excel表格中，拟合小球轨迹曲线，如图8所示，相关系数R＝0.995，拟合效果非常好，轨迹方程为

y＝-0.058x²+2.033x……(1)

(1)式中，Y对X微分得

$\frac{dy}{dx}=-0.116x+\mathrm{2.033......}\left(2\right)$

斜抛运动可看作水平方向速度为v_x的匀速直线运动和竖直方向速度为v_y匀加速直线运动，V为合速度。它们之间满足矢量三角形，如图9所示。

当X＝0时，tgα＝2.033，则α＝63°49′由v_x＝88.35cm/s，得到出口处竖直方向分速度v_Y0＝v_X×tgα＝179.62(cm/s)，根据v_yt＝v_y0+gt可计算出重力加速度g，如表2所示。

表2:利用矢量三角形计算小球运动有关参量如下表

上表可求得重力加速度891.86cm/s²，与当地重力加速度比较，百分误差为8.90％，小球出口处的合速度为200.17cm/s。小球在任意时刻竖直方向速度可表示为：

v_yt＝179.62-891.86t……(3)

由此，我们可以通过计算确定小球在任意时刻的运动状态。

Claims (6)

1.一种斜向上抛物体运动规律简易抛射仪，其特征在于：包括底座，所述底座下设置支撑腿，支撑腿上端设有长方体凹槽，在长方体凹槽中间固定有量角器与抛射枪，量角器与支撑杆固定，抛射枪可以随转动轴转动，抛射枪末端设有小球，抛射枪转动轴侧面设有固定螺丝，在小球所放位置后设有阻挡凸，在平行于小球运动轨迹所确定平面侧面竖直放置有方格屏；数码相机固定在支架上，数码相机视场覆盖整个定位抛体坐标的方格屏。

2.根据权利要求1所述的斜向上抛物体运动规律简易抛射仪，其特征在于：所述抛射枪包括射击枪杆和射击枪杆弹簧，所述射击枪杆弹簧尾部设有手拉环。

3.根据权利要求1所述的斜向上抛物体运动规律简易抛射仪，其特征在于：所述数码相机通过快门线控制。

4.根据权利要求1所述的斜向上抛物体运动规律简易抛射仪，其特征在于：所述底座上设有平衡块。

5.根据权利要求1所述的斜向上抛物体运动规律简易抛射仪，其特征在于：所述方格屏为毫米方格屏或画布。

6.一种权利要求1所述的斜向上抛物体运动规律简易抛射仪的研究方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，仪器调节：将底座调成水平，将方格屏挂立在与抛射体小球运动轨迹抛射枪转动平面平行的侧面位置，使之成为抛射体小球运动投影背景，松开抛射枪固定螺丝，转动抛射枪，使之抛射枪中间指示线对准量角器中对应刻度；

步骤二，将数码相机支架放在对准方格屏或画布的中央位置，根据室内明暗程度布设照明灯，并调节照明灯的亮度；

步骤三，钩住抛射枪的手拉环，将射击枪杆与射击枪杆弹簧一同拉起，将数码相机拨至动画状态，并在打开数码相机快门3秒钟后，放开抛射枪手拉环，抛射枪中的射击枪杆撞击小球，小球被射出并在空中运动，待小球落地，再按动快门停止动画拍摄。