CN202929910U - 平抛运动物理实验演示仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平抛运动物理实验演示仪，它主要由安装于支承底座的演示立板、安装于演示立板的直线导轨、匀速电磁铁、配装于滑槽的可调演示板、安装于可调演示板的平抛圆弧轨、平抛电磁铁和由激光发射管、接收管控制的自落电磁铁构成，它能方便地调节“平抛运动的高度”进行多组实验来演示诠释平抛运动的规律，并能在实验中确保平抛钢球起抛与自落钢球下落的“同时性”，这对提高实验准确性和演示直观性均有明显效果，本实用新型具有构思新颖、结构简捷、操作方便、实验准确性能高、直观性强和教学效果好的优点，它是寓深奥理论知识于浓厚实验趣味性之中的一种优化的演示仪，在教学领域具有极佳的推广使用前景。

Description

平抛运动物理实验演示仪

技术领域

本实用新型涉及物理教学实验装置，它属于教具实验仪器的技术领域，具体地说是一种平抛运动物理实验演示仪，它能直观演示平抛运动现象并揭示运动规律，可快速启迪学生深刻理解平抛运动规律的内涵，对提高物理教学质量水平具有明显效果。

背景技术

我们知道：平抛运动作为一个普遍的物体运动现象，是传统运动学所要研究的重要课题，能清楚明晰地演示平抛运动规律一直是物理教学科研中的一个重要内容。客观地说，由于平抛运动是一个合成的曲线运动，它的运动规律远比直线运动和圆周运动复杂得多。要想直接研究它的速度、位移等物理量的变化来揭示平抛运动的规律是较为因难的。正因为如此，关于“平抛运动”的课程一直都是物理教学中的一个教学难点。迄今为止，在现行物理教学实践中一般都是通过实验将平抛运动分解成简单的单一运动来进行研究讲解授课的。这种“循序渐进、由简入难”的教学方式能有效地帮助学生正确理解平抛运动的内在规律性，这对提高物理教学水平有很好的作用。据了解：在“平抛运动”的课堂教学中，长期以来都是采用“在立板上固定安装弧形轨道并使钢球从弧形轨道的出口平抛出去”的传统实验来进行演示教学的，它需用秒表记时并观察立板上的坐标划线刻度来感知钢球的平抛运动状态，再通过理论计算来认知平抛运动的基本规律，即“平抛运动实质上是水平方向的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动的合运动，并且这两个分运动是互不影响独立存在的”。但是，无需讳言，现有的平抛运动实验装置在实际教学使用中仍然存在一些不足之处，其主要表现为：1．由于需要同时观察钢球运动轨迹并计时，它的实验操作较为麻烦且效率低；2．由于存在观察误差和计时误差，这将导致实验数据的误差大而影响物理实验的教学效果；3．现行实验装置钢球平抛运动的高度是固定不可调节的，它的实验方式单一无可比性，这将严重影响实验演示的直观性和趣味性。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在克服现有技术的上述不足之处，而提出一种新型结构的平抛运动物理实验演示仪。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来实现的：

本实用新型提出的平抛运动物理实验演示仪，它包括演示立板、安装于演示立板的直线导轨和匀速电磁铁，直线导轨的一端设置成相切的圆弧形导轨结构，所述的匀速电磁铁安装于对应圆弧形导轨的起始位置，其特征在于：在演示立板上安装有滑槽，滑槽内配装有可调演示板，在滑槽上配装有调节紧固螺栓，在可调演示板上安装有平抛圆弧轨、平抛电磁铁、自落电磁铁、激光发射管和接收管，所述的平抛电磁铁安装于对应平抛圆弧轨的起始位置，激光发射管、接收管分别配装于对应平抛圆弧轨出口端面的两侧位置。本实用新型的显著结构特点是：它可根据教学实验的需要，调节设定配装于滑槽内的可调演示板的位置高度进而调节设定“平抛运动的高度”，或者是说可调节设定“平抛运动的时间”。特别是在平抛圆弧轨的出口端面两侧位置配装能控制自落电磁铁的激光发射管和接收管，它能确保在平抛钢球经过平抛起点位置开始平抛运动的瞬间，同时下落自落钢球。可使自落钢球与平抛钢球在实验中具有极佳的“同时性”，这对提高平抛运动的实验准确性和演示直观性具有重要作用，能极大地增强实验的教学演示效果。

更进一步地说，本实用新型还具有如下技术特征：

在滑槽的槽壁上设置有竖条孔，在可调演示板的侧端面嵌装螺母，所述的调节紧固螺栓穿过滑槽的竖条孔与螺母配合连接构成可调演示板高度调节的紧固结构。这种结构设计特别方便于调节和固定可调演示板位置高度的实验操作，即是说它能方便地调节设定“平抛运动的高度”，使其能最大程度地满足在不同的高度位置进行平抛运动实验演示教学的需要。

在可调演示板上设置有水平条孔，自落电磁铁的挂装轴配装于可调演示板的水平条孔内。设置水平条孔的位置要能使吸附于自落电磁铁的自落钢球与平抛圆弧轨的出口端处于相同的高度，水平条孔的长度要能适应由调节“平抛运动的高度”引起匀速钢球在直线导轨上的运动行程变化量，这种结构设计特别方便于在水平方向上调节自落电磁铁的位置，在实验演示中能使自落钢球与平抛钢球、匀速钢球同时交汇至一点，即可在平抛运动实验中呈现“三球交汇同时碰撞”精彩的演示效果，能极大地增强物理实验教学的趣味性。

平抛圆弧轨的半径与直线导轨的圆弧形导轨半径相等，其圆弧长度均为四分之一圆周长度。这种结构设计能确保平抛钢球的平抛初速度与匀速钢球在直线导轨上的运动速度相等。需要说明的是：在实际安装中要使平抛圆弧轨的出口端纵向对齐于直线导轨一端的圆弧形导轨相切点，即能确保在平抛钢球经过平抛圆弧轨出口端开始平抛运动瞬间，匀速钢球也同时在直线导轨上开始匀速直线运动。可使匀速钢球与平抛钢球在实验中保持很好的“同时性”，这对提高平抛运动的实验准确性和演示直观性同样具有重要作用，能极大地增强实验的教学演示效果。

在演示立板的底部设置有接球仓。它能接收实验演示后的钢球，特别方便于钢球的收集回用，可有效地避免钢球掉落于地面造成丢失。

本实用新型所提出的技术方案的理论依据是：“平抛运动在水平方向为匀速直线运动，在竖直方向为自由落体运动”。

根据自由落体运动的公式：h = (gt²)/2 ，可得：t = (2h/g)^1/2   。

再根据公式： mgR = (mv²)/2 , 即有：v = (2gR)^1/2  。

因此，在实验时调节设定“平抛运动高度h”所决定的“平抛运动时间t”内，匀速钢球在直线导轨上匀速运动的行程为：S = vt =(2gR)^1/2×(2h/g)^1/2=(4hR)^1/2  。

由平抛运动高度的调节范围  Δh =h_max - h_min ，

可得自由落体运动时间的变化量 Δt= (2h_max  /g)^1/2 - (2h_min  /g)^1/2 。

即可得匀速钢球在直线导轨上的运动行程的变化量为：

ΔS = (4h_max R)^1/2  - (4h_min  R)^1/2 。

上式中：t为平抛运动的时间，g为重力加速度，h为平抛运动的高度，即为平抛圆弧轨出口端至直线导轨的距离，v为平抛钢球平抛运动的初速度，也为匀速钢球匀速直线运动的速度，R为平抛圆弧轨的半径，S为匀速钢球在直线导轨上的运动行程。

通过上式分析，可以得出如下结论：

1．钢球的“平抛运动时间t”是由调节设定的“平抛运动高度h”所决定的。

2．钢球在直线导轨上的运动行程也是由调节设定的“平抛运动高度h”所决定的。

本实用新型是按照如下方式进行平抛运动实验演示操作的：

第一．首先根据物理教学实验规程调节设定平抛运动的高度：拧松滑槽上的调节紧固螺栓，将可调演示板沿滑槽向上或向下推移至所设需设定的平抛运动高度h的位置处，拧紧调节紧固螺栓即可固定可调演示板。

第二．插上电源插头后，激光发射管和接收管得电处于导通状态使自落电磁铁通电工作，合上开关后使平抛电磁铁、匀速电磁铁同时通电工作。

第三．将实验演示用平抛钢球、匀速钢球依次安放于平抛圆弧轨的起始位置、直线导轨的圆弧形导轨起始位置并分别由平抛电磁铁、匀速电磁铁吸附住，将自落钢球送至自落电磁铁底部并由自落电磁铁吸附住，再沿可调演示板的水平条孔调节自落电磁铁的位置，使自落钢球至平抛圆弧轨出口端的距离等于匀速钢球在直线导轨上的运动行程S，至此，即完成平抛运动实验演示的准备工作。

第四．演示实验：待认真检查核对无误后，断开开关，使平抛电磁铁、匀速电磁铁同时断电失去电磁吸力，平抛钢球、匀速钢球将在重力作用下分别沿平抛圆弧轨、直线导轨的圆弧形导轨作圆周运动，当平抛钢球运动至平抛圆弧轨的出口端时，平抛钢球即以初速度v开始作平抛运动，匀速钢球也同时到达圆弧形导轨的相切点处并以同样的速度v开始在直线导轨上作匀速直线运动，与此同时，在平抛钢球经过平抛圆弧轨出口端面开始作平抛运动的瞬间，由于平抛钢球会遮挡住接收管使自落电磁铁出现瞬时断电而失去电磁吸力，自落钢球也会同时下落开始作自由落体运动。这时我们观察到：平抛钢球、自落钢球、匀速钢球虽然是分别按照平抛运动、自由落体运动、直线运动规律沿着各自不同的轨迹进行运动，但是平抛钢球、自落钢球最终会同时碰撞到匀速钢球，在实验中也只听到一次钢球撞击声。即可表明，三个按不同方式运动的钢球是同时交汇至一点进行碰撞的。至此，通过该实验可以清晰地演示并诠释验证“平抛运动在水平方向为匀速直线运动，在竖直方向为自由落体运动”的基本理论。

按照上述操作方法使用本实用新型提出的平抛运动物理实验演示仪，还可分别将可调演示板调节至不同的位置高度依次进行多组实验，均能观察到平抛运动实验演示 “三球交汇同时碰撞一次声响”精彩的运动现象。

另外，用本实用新型提出的平抛运动物理实验演示仪，可以不用自落钢球，只用平抛钢球和匀速钢球进行平抛运动实验，也能观察到“二球交汇碰撞一次声响”的运动现象，也能单独演示验证“平抛运动在水平方向为匀速直线运动”的理论。

用本实用新型提出的平抛运动物理实验演示仪，可以不用匀速钢球，只用平抛钢球和自落钢球进行平抛运动实验，也能观察到“二球交汇碰撞一次声响”的运动现象，也能单独演示验证“平抛运动在竖直方向为自由落体运动”的理论。

本实用新型同现有技术相比较具有如下优点：

本实用新型首创了在固定演示立板上由滑槽配装可调演示板进行平抛运动实验的演示仪结构，它能方便地调节设定“平抛运动的高度”，使其能在不同位置高度反复地进行多组实验来演示诠释平抛运动规律，本实用新型还首次在平抛圆弧轨出口端配装控制自落电磁铁的激光发射管和接收管，能很好地实现平抛钢球起抛与自落钢球下落的“同时性”。本实用新型具有构思新颖、结构简捷、操作使用方便、实验准确性能高、演示直观性强和教学效果好的突出优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是图1的A—A视图，展示在演示立板、可调演示板上分别安装直线导轨、平抛圆弧轨的结构示意图。

图3是图1的B—B视图，展示对可调演示板进行高度调节的紧固结构示意图。

图4是本实用新型的电原理图。

图5是采用本演示仪进行平抛运动实验时钢球的运动轨迹图。

附图中的标记说明：

1为调节手轮，2为平抛电磁铁，3为平抛钢球，4为可调演示板，5为自落电磁铁，6为水平条孔，7为挂装轴，8为滑槽，9为开关，10为自落钢球，11为演示立板，12为接收管，13为激光发射管，14为匀速钢球，15为平抛圆弧轨，16为定位卡，17为匀速电磁铁，18为圆弧形导轨，19为支承底座，20为直线导轨，21为接球仓，22为竖条孔，23为套筒，24为调节紧固螺栓，25为螺母，26为箭头。

具体实施方式

本实用新型提出的一种平抛运动物理实验演示仪，它主要由安装于支承底座19的演示立板11、安装于演示立板11的直线导轨20、匀速电磁铁17、滑槽8、配装于滑槽8的可调演示板4和安装于可调演示板4的平抛圆弧轨15、平抛电磁铁2、自落电磁铁5、激光发射管13、接收管12构成，在演示立板11的底部设置有接收、存放实验钢球的接球仓21，在滑槽8槽壁上设置有供穿装调节紧固螺栓24的竖条孔22，在可调演示板4的侧端面嵌装有螺母25，调节紧固螺栓24穿于滑槽8槽壁的竖条孔22与螺母25配合连接即可构成能对可调演示板4进行高度调节的紧固结构，在调节紧固螺栓24上配装富有弹性的套筒23，能有效增强对可调演示板4的紧固作用。所说的直线导轨20、平抛圆弧轨15是由定位卡16分别固定安装于演示立板11、可调演示板4的演示正面，在直线导轨20的左端设置有与之相切的圆弧形导轨18，圆弧形导轨18半径与平抛圆弧轨15的半径相等，其圆弧长度均为四分之一圆周长度，安装时要求平抛圆弧轨15的出口端纵向对齐于直线导轨20左端的圆弧形导轨18相切点，所说的匀速电磁铁17固定安装于圆弧形导轨18的起始位置处，平抛电磁铁2固定安装于平抛圆弧轨15的起始位置处，在平抛圆弧轨15出口端面的两侧位置分别配装有能控制自落电磁铁5的激光发射管13、接收管12，在可调演示板4上还设置有水平条孔6，将自落电磁铁5的挂装轴7配装于可调演示板4的水平条孔6内并使其能调节自落电磁铁5的位置，需要指出的是，所说“调节自落电磁铁5的位置”是要能满足进行平抛运动实验的基本要求：使吸附于自落电磁铁5的自落钢球10与平抛圆弧轨15出口端处于等高位置，水平条孔6的长度要能适应由调节“平抛运动的高度”所引起匀速钢球14在直线导轨20上的运动行程变化量，即是说，要能使自落钢球10至平抛圆弧轨15出口端的距离等于匀速钢球14在直线导轨20上的运动行程。

下面结合附图进一步描述本实用新型的实施例：

演示实验例一：

实验目的：演示验证“平抛运动在水平方向为匀速直线运动”的理论。

采用本实用新型提出的演示仪并按如下步骤进行平抛运动物理实验演示操作：

第一．根据教学计划编制实验任务书，确定实验演示的组次数和每次实验的平抛运动高度h，在每次实验前应准确调节设定平抛运动的高度h：转动调节手轮1拧松配装于滑槽8上的调节紧固螺栓24，将可调演示板4沿滑槽8向上或向下推移至所设需设定平抛运动高度h的位置后，再反向转动调节手轮1拧紧调节紧固螺栓24即可将调演示板4固定于滑槽8内。

第二．插上电源插头，合上开关9使平抛电磁铁2、匀速电磁铁17同时通电工作。

第三．将实验演示用的平抛钢球3、匀速钢球14依次安放于平抛圆弧轨15的起始位置、圆弧形导轨18起始位置并使其分别被平抛电磁铁2、匀速电磁铁17吸附住，至此即完成平抛运动实验演示的准备工作。

第四．演示实验：将开关9断开，平抛电磁铁2和匀速电磁铁17同时断电失去电磁吸力，这时，平抛钢球3、匀速钢球14将在重力作用下分别沿平抛圆弧轨15、直线导轨20的圆弧形导轨18作圆周运动，当平抛钢球3运动至平抛圆弧轨15的出口端时，平抛钢球3将以初速度v开始作平抛运动，匀速钢球14也会同时到达圆弧形导轨18的相切点处并以同样的速度v开始在直线导轨20上作匀速直线运动。

我们观察到：虽然平抛钢球3、匀速钢球14是分别按照平抛运动、匀速直线运动的规律各自沿不同的轨迹运动，如箭头26所示，平抛钢球3最终会与匀速钢球14交汇碰撞，在实验中也只会听到一次钢球撞击声。实验演示后的钢球会掉入接球仓21内，特别方便于钢球的收集回用。

再分别调节平抛运动的高度h进行多组实验，我们均会观察到“二球交汇碰撞”的运动现象。至此，即可清晰地演示并完美地诠释验证“平抛运动在水平方向为匀速直线运动”的基本结论。

演示实验例二：

实验目的：演示验证“平抛运动在竖直方向为自由落体运动”的理论。

采用本实用新型提出的演示仪进行平抛运动物理实验演示时，它是依次按如下步骤进行操作：

第一．按照演示实验例一中第一步所述方法进行操作。

第二．插上电源插头后，激光发射管13和接收管12得电处于导通状态并使自落电磁铁5通电工作，合上开关9使平抛电磁铁2通电工作。

第三．将实验演示用的平抛钢球3安放于平抛圆弧轨15的起始位置并使其被平抛电磁铁2吸附住，再将自落钢球10送至自落电磁铁5底部并使其被自落电磁铁5吸附住，再验证确认自落钢球10与平抛圆弧轨15的出口端处于等高位置后，即完成平抛运动实验演示的准备工作。

第四．演示实验：将开关9断开，平抛电磁铁2断电失去电磁吸力，这时，平抛钢球3将在重力作用下沿平抛圆弧轨15作圆周运动，当平抛钢球3运动至平抛圆弧轨15的出口端时，平抛钢球3将以初速度v开始作平抛运动，与此同时，在平抛钢球3经过平抛圆弧轨15的出口端面开始作平抛运动的瞬间，由于平抛钢球3会遮挡住接收管12而使自落电磁铁5出现瞬时断电失去电磁吸力，自落钢球10会同时下落开始作自由落体运动。

我们也会观察到：虽然平抛钢球3、自落钢球10是分别按照平抛运动、自由落体运动的规律各自沿不同的轨迹运动，如箭头26所示，自落钢球10也会与平抛钢球3交汇碰撞，在实验中也只会听到一次钢球的撞击声。

再分别调节平抛运动的高度h进行多组实验，我们均会观察到“二球交汇碰撞”的运动现象。至此，即可清晰地演示并完美地诠释验证“平抛运动在竖直方向为自由落体运动”的基本结论。

演示实验例三：

实验目的：进一步演示验证“平抛运动实质上是水平方向的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动的合运动”的理论。

第一．首先按照演示实验例一中第一步所述方法进行操作，在每次实验前准确调节设定平抛运动的高度h，根据公式 S = vt =(2gR)^1/2×(2h/g)^1/2=(4hR)^1/2  分别计算匀速钢球14在每次实验中的运动行程S，再沿水平条孔6平移自落电磁铁5的挂装轴7，使自落钢球10至平抛圆弧轨15出口端的距离等于匀速钢球14在直线导轨20上的运动行程S即可。

第二．插上电源插头后，激光发射管13和接收管12得电处于导通状态并使自落电磁铁5通电工作，合上开关9使平抛电磁铁2、匀速电磁铁17同时通电工作。

第三．将实验演示用的平抛钢球3、匀速钢球14依次安放于平抛圆弧轨15的起始位置、圆弧形导轨18起始位置并使其分别被平抛电磁铁2、匀速电磁铁17吸附住；再将自落钢球10送至自落电磁铁5底部并使其被自落电磁铁5吸附住，再次验证确认：自落钢球10至与平抛圆弧轨15出口端处于等高位置、自落钢球10至平抛圆弧轨15出口端的距离等于匀速钢球14在直线导轨20上的运动行程S后，即完成平抛运动实验演示的全部准备工作。

第四．演示实验：将开关9断开，平抛电磁铁2和匀速电磁铁17同时断电失去电磁吸力，平抛钢球3、匀速钢球14将在重力作用下分别沿平抛圆弧轨15、圆弧形导轨18作圆周运动，当平抛钢球3运动至平抛圆弧轨15的出口端时，平抛钢球3会以初速度v开始作平抛运动，匀速钢球14也会同时到达圆弧形导轨18的相切点处并以同样的速度v开始在直线导轨20上作匀速直线运动，与此同时，在平抛钢球3经过平抛圆弧轨15出口端面开始作平抛运动的瞬间，平抛钢球3会遮挡住接收管12而使自落电磁铁5出现瞬时断电失去电磁吸力，自落钢球10也会同时开始下落作自由落体运动。

我们会观察到：虽然平抛钢球3、自落钢球10、匀速钢球14是分别按照平抛运动、自由落体运动、匀速直线运动的规律各自沿不同的轨迹运动，如箭头26所示，但是，平抛钢球3、自落钢球10最终会同时碰撞到匀速钢球14，在实验中也只会听到一次钢球的撞击声。即可表明，三个按不同方式运动的钢球是同时交汇至一点进行碰撞的。

按照上述操作方法，也可分别调节可调演示板4至不同的位置高度依次进行多组实验，我们均能观察到“三球交汇同时碰撞一次声响”精彩的实验现象。

综上所述，通过上述一系列平抛运动实验，能清晰地演示并完美地诠释验证：“平抛运动实质上是水平方向的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动的合运动，并且这两个分运动是互不影响独立存在的”的基本理论。

本实用新型提出的平抛运动物理实验演示仪经过较长时期的实验教学试用表明：它能直观地演示诠释平抛运动的物理规律，能有效地启迪学生理解平抛运动规律的内涵，它对进一步提高物理教学质量水平具有十分明显效果。

Claims (5)

1.一种平抛运动物理实验演示仪，它包括演示立板（11）、安装于演示立板（11）的直线导轨（20）和匀速电磁铁（17），直线导轨（20）的一端设置成相切的圆弧形导轨（18）结构，所述的匀速电磁铁（17）安装于对应圆弧形导轨（18）的起始位置，其特征在于：在演示立板（11）上安装有滑槽（8），滑槽（8）内配装有可调演示板（4），在滑槽（8）上配装有调节紧固螺栓（24），在可调演示板（4）上安装有平抛圆弧轨（15）、平抛电磁铁（2）、自落电磁铁（5）、激光发射管（13）和接收管（12），所述的平抛电磁铁（2）安装于对应平抛圆弧轨（15）的起始位置，激光发射管（13）、接收管（12）分别配装于对应平抛圆弧轨（15）出口端面的两侧位置。

2.根据权利要求1所述的平抛运动物理实验演示仪，其特征在于：在滑槽（8）的槽壁上设置有竖条孔（22），在可调演示板（4）的侧端面嵌装螺母（25），所述的调节紧固螺栓（24）穿过滑槽（8）的竖条孔（22）与螺母（25）配合连接构成可调演示板（4）高度调节的紧固结构。

3.根据权利要求1或2所述的平抛运动物理实验演示仪，其特征在于：在可调演示板（4）上设置有水平条孔（6），自落电磁铁（5）的挂装轴（7）配装于可调演示板（4）的水平条孔（6）内。

4.根据权利要求1或2所述的平抛运动物理实验演示仪，其特征在于：平抛圆弧轨（15）的半径与直线导轨（20）的圆弧形导轨（18）半径相等，其圆弧长度均为四分之一圆周长度。

5.根据权利要求1或2所述的一种平抛运动物理实验演示仪，其特征在于：在演示立板（11）的底部设置有接球仓（21）。

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