登陆注册
33503300000006

第6章 运动学实验操作与改进设计(2)

这样的机构除了说明平抛运动的竖直分运动是自由落体运动之外,还可以根据这个实验进一步说明平抛运动的水平分运动是匀速直线运动。让敲锤从一个特定的高度摆下,撞击A球,A球刚好能沿着板面所画的抛物线运动(这条抛物线事先用数学方法画好,顶点在A球停留点上)。从A球停留点起取三段相等的水平线段,即图14中的Ab1、b1b2、b2b3三段,从b1、b2、b3分别作竖直直线与抛物线相交于c1、c2、c3点,量出这三条竖直线段的长度(即到碰撞点为止的B球运动的路程),它们的比值为1∶4∶9,说明A球运动到c1、c2、c3点的时间之比为1∶2∶3,而A球的水平位移之比也是1∶2∶3,从而说明了A球的水平方向的分运动是匀速直线运动。

做好这个实验的关键在于A球与B球在动作前必须处于同一高度,并能使A球恰好沿水平方向撞击;动作后在同一竖直平面上运动。为此,实验前要调节底座螺丝确保装置水平。

要使两球同时开始运动,需要一个控制装置:用电磁铁实现两球同时开始运动。(见示意图15)。当铁球A在水平放置的分开的两片金属片D、E上时,电磁铁M接通铁球B被电磁铁吸住。当A球离开两金属片作平抛运动时,电路断开,B球同时落下。A球起着B球动作的开关的作用。

实验装置的各部件都安装在一块五合板上,板宽50厘米,高70厘米。

左上角装木制(或铁制)敲锤。锤柄长12厘米。

电磁铁M用直径030毫米的漆包线在线框上分层密绕400匝,用直径6毫米的软铁钉作铁芯。

电磁铁装在水平横轨上。横轨用两根直径4毫米长30厘米的铜条,平行安装在板上,间距25厘米。轨道与板上边缘距离2厘米,右端与右边缘距离5厘米。

水平安装的金属片D、E的形状和尺寸如图16所示。金属片用厚15~2毫米的黄铜片制成,铜片宽度10毫米。A、B两球直径在15毫米与20毫米之间,A球表面必须光洁,以保证与金属片接触良好。金属片装在离板上边缘8厘米、离左边缘6厘米处。板面上的抛物线顶点在停放的A球球心位置上。从顶点起取水平线段Ab1、b1b2、b2b3分别为12厘米,过b1、b2、b3往下分别作竖直线段b1c1、b2c2、b3c3,使b1c1=5厘米,b2c2=20厘米,b3c3=45厘米,过A、C1、C2、C3点画出抛物线(见图14)。电磁铁电源用两节15伏一号干电池串联。为使铁球落下时没有响声,右下方用网拦接。

向心力演示器

多年来,高中物理教材中关于圆周运动部分的有关向心力公式的验证:

F=mv2RF=mω2R其中向心力F与作匀速圆周运动的物体的质量m、线速度v、角速度ω和物体作匀速圆周运动的圆周半径R有关系,现行的仪器不够直观、简便,且效果不甚理想。为了提高教学效果,我们设计的“向心力演示器”较明显地、直观地表现出了m、v、ω、R与F的关系。从而验证了以上两个公式的正确。

实验原理:

将实验用的小球放在“向心力演示器”的凹槽内,当整个装置的销钉插于转旋盘上以某一点为圆心做匀速圆周运动时。实验小球所需向心力由弹簧通过铝片提供。由于小球的离心作用,弹簧被压缩。致使铝片有微小的倾斜,从而又带动指针发生偏转——从刻度盘上可直接读出向心力的大小。

实验方法:

第一组:

取质量m不同的两个小球,分别放在两套仪器的凹槽内。将它们置于距圆心相同距离的同一转盘上,使其做圆周运动。通过读取刻度盘上的示数很容易得出,向心力F与物体质量m成正比的结论。

第二组:

取质量m相同的两个小球。分别放在两套仪器的凹槽内。再将它们置于距圆心不同距离的同一转盘上。在它们角速度ω相同的条件下,使其做匀速圆周运动。通过读取刻度盘上的示数,可以得出向心力F与圆周运动的半径R成正比的结论。

第三组:

取质量m相同的两个小球。分别放在两套仪器的凹槽内,置于距圆心相同的两个转速不同的转盘上,使其同时做匀速圆周运动。通过读取刻度盘上的示数,可以得出,向心力F与线速度的平方v2成正比的结论。由于半径相同也可以得出向心力F与角速度平方ω2成正比的结论。

该实验用的转盘也可以用转杆替代,来做该实验。转杆可以用木板条制。实验时,将“向心力演示器”下面的销钉插入木板条中固定住。

转杆也可以用钢板尺制作,为增其强度,钢板尺下要垫一木板条。但要在钢板尺上打出小孔。以便实验时将“向心力演示器”下面的销钉插入小孔内固定住。使用钢板尺制作的好处是:可利用尺上的刻度以便测出圆周运动的半径。

用转杆做实验的示意图。

要说明的是,为了得到前面提到的两个转速不同的转盘,可将两个转盘通过齿轮或皮带轮的传动,以达到不同的转速比来实现。

本仪器是本着轻便、灵巧、简易、经济、直观的原则进行设计的。所以教师或学生容易自己动手制作。

匀速圆周运动投影演示实验的改进改进设计如图20所示,当圆盘作匀速转动时,便带动滑框及连杆运动,使连杆上的小球M′作简谐振圆盘后视图①圆盘小球②圆盘③刻度尺④支柱⑤底板⑥连杆小球⑦滑线变阻器的线绕电阻⑧滑杆⑨连杆⑩接线柱横板滑框滑动块动。圆盘是用9伏的直流电动机带动的(图中未画出),其电动机的电路图如图21所示。当调节滑线变阻器R时,即可改变其转速。这样我们只要在M′上方放一弹簧振子,调节电动机的转速,就能看到M′与弹簧振子的M同步。从而证明了作匀速圆周运动的物体的投影运动是简谐振动。

得到了M′的运动是简谐振动后,可在M′的下方插上一支小毛笔,蘸上墨,在横板上补一张纸,当M′振动时,匀速拉纸便得到简谐振动的波形图。在小球中心,沿水平方向垂直于连杆串一根金属弹片,弹片的一端与滑杆接触,另一端与滑动变阻器接触,(如图22所示)这样当M′振动时,就可在示波器上看到简谐振动的波形图。

演示步骤:

(1)校准零点。将圆盘上的M°置于与圆盘中心点(即X轴的原点)在同一铅锤线上,这时M′应指在O′点。让M°旋转一个角度,量出其在水平轴X上的投影点离O点的距离与这时的M′离O′的距离相对比,从而说明任一时刻M′在X′轴上的运动与M°在X轴上的投影运动是一致的。

(2)将M′的运动与弹簧振子的振动进行比较,使学生看清二者的同步(因弹簧振子作阻尼振荡,故与M′同步的时间不长,可略加说明)。

(3)根据以上演示得出x=Acosωt后,将M′下方插上一支小毛笔,在横板上放一张长条纸,匀速拉纸即可得到简谐振动的波形图。

(4)将引出线接示波器观察波形(为什么可以在示波器上看到波形不必向学生交待)。

注意事项:

(1)电源电压不能过高,否则会烧坏电动机。

(2)滑线变阻器R′应选择适当(最好用0-40欧姆的滑线变阻器),接线柱不要弄错(将滑动臂及滑动臂接线柱搁置不用)。

(3)进入视波器的信号较强(Vpp约几伏),注意“衰减”、“扫描范围”、“扫描微调”等旋钮的调节,否则会看不出波形。

平抛、竖落演示试验的改进

全日制高中课本上册平抛、竖落等时性实验是教材规定的课堂演示实验。

在演示中使两个同样小球同时从同样高度一个平抛、一个自由下落,让学生听声音来判断落地时刻。二球落地只听到一声,说明同时落地,即得出平抛运动在竖直方向的分运动是自由落体运动的结论。

教学实践表明,这样“听”的效果不够理想。对此,不少学校做了改进。制成一台平抛、竖落演示仪,实际只不过是在课本装置的基础上花几元钱买三只床头开关装在两球落地平面处,用以控制两只小灯泡,用灯光显示落地时刻。这样把落地“听声音”改成落地“观灯亮”

,增强了实验效果。

整个装置安装在一框架内,下面按有支座,使用时可放在讲台上。

框架由厚1~15厘米,宽4厘米板条钉成,宽55厘米,高65厘米,钉上五合板作为底板。正面视图。

木块1、2、3皆用胶粘在底板上并从底板背面拧上木螺丝加固。木块2上用锯锯出一道开口插入弹性钢片(可用废木工锯条)。

木框下部为两块可向下活动的底板。左边一块长7厘米,用来承接竖落小球,板下装有一个开关用来控制左边的小灯泡,右边一块长为45厘米,用来承接平抛的小球,板下装有两只开关(因此板较长)用来控制右边小灯泡。

两块活动底板上部均粘有一层1厘米厚的泡沫塑料,用来减少小球反弹高度。板下开关选用市售床头开关,演示前开关不闭合,两块活动底板被下面几块泡沫塑料垫块弹起,保持刚刚与开关按钮接触状态。小球下落时冲击底板,底板向下面运动,则开关按钮被压下闭合,小灯同时发光,显示球落地。

在活动底板下正对开关按钮处按一图钉,可使二者接触良好。

新开关按钮较紧,只要拆下里面的弹簧,在酒精灯上稍退一下火便可改善其灵敏度。我们做完后试验,小球即使从不到10厘米高处落到底板上,并且平抛小球落点无论在板上何处,板下开关都能被闭合,使小灯发光。

图23中没有画开关前的挡板,实际钉上后开关不外露,只能看到底板上的一层泡沫塑料。在挡板与底面五合板间,整好靠近活动底板处,位于板两端各穿一小钉,使底板不至从上部掉出,只能向下活动。挡板宽度使之能挡住开关及活动板,刚刚露出一层泡沫塑料。挡板材料可用薄木板或五合板。

三个开关位置从正面看大致如图23的比例即可,差些无妨。

具体装时打开开关塑料盖,在下盖上钻一小孔插入一长螺丝杆然后关好。再在底面五合板上相应位置锯三个长方形孔。把开关前半部插入孔中。在底框板条的适当位置要预先钻孔以便把长螺杆伸进去。装好后在底框下拧上螺丝母后开关便被固定。因床头开关前部为圆弧形,可在下面垫些泡沫塑料碎块使之水平。

三个开关均如此安装好。

用一截小木块钻孔插入一竹筷子便成为木锤。

用木锤直接打击弹性片很不便,可在左边框上钻一直径10毫米圆孔,插一圆木棍,使棍右端接触弹片,左端露出框架1厘米,演示时用锤从侧面敲木棍即可。

开关与两小灯泡电路接法见图25。框架上部钉一25厘米宽板条,上面安装两只小灯泡座,灯泡用两种颜色最好,可更加醒目。引线都隐蔽在板后。一节电池也装在板后。

在制作时一定要注意,开关上面的活动底板尺寸不能过大,与四周要留有一点间隙,以便活动自如。我们用的小钢球直径为15毫米。

演示前先向学生交代,球落则灯亮,二灯同时亮则表示球同时落地(用手按活动底板说明)。

试验可重复做两次,掌握好敲击力度使每次平抛小球落点不同。每次随球之落地,两个不同颜色小灯同时放光,很能吸引学生注意。教师随之对此现象自然引出平抛运动在竖直方向上的分运动是自由落体运动的结论。

同类推荐
  • 图文科普-奇妙的发明

    图文科普-奇妙的发明

    本书是为了普及科学知识,探索科学发展的历程,领略科学丰富多彩的趣味,弘扬科学名家的丰功伟绩,学习科学家不懈的创新精神与无私的奉献精神,培养青少年科学、爱科学的浓厚兴趣,并密切结合青少年朋友日常的生活与学习特点而编写的。
  • 探索未知-数学经典题

    探索未知-数学经典题

    探索未知,追求新知,创造未来。本丛书包括:奇特的地理现象、遗传简介、生活物理现象解读、奥妙无穷的海洋、认识微生物、数学经典题、垃圾与环境、湛蓝浩瀚四大洋、生物的行为、漫谈电化学、数学古堡探险、中国的世界文化遗产、中国古代物理知识、中国三大三角洲、中国的地理风情、多姿的中国地形、认识少数民族医学、悠悠的中国河流等书籍。
  • 科学未解之谜(世界悬谜大观)

    科学未解之谜(世界悬谜大观)

    科学是人类在长期的实践活动中对自然界和客观世界的认识和改造世界的理论,它是人类进化演变到一定阶段的产物。按照严格的定义,科学是运用范畴、定理、定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质和规律的知识体系,是人类意识形态之一。科学是人类永无止境地探索、实践,阶段性地趋于接近真理的活动,是一项成果的绝大部分有利于造福人类社会的高尚事业。如今,科学广泛地被运用于各个领域当中,影响到人们生产和生活的方方面面。
  • 进化!进化?:达尔文背后的战争

    进化!进化?:达尔文背后的战争

    本书是一部关于生物进化论的百科全书似的作品,它囊括了从进化论起源,发展,衍生,直至今天的所有内容。但以它不到20万字的篇幅,虽然讲得很全,却不深,不同于枯燥乏味的学术专著,它是一部有趣的科普文。
  • 揭秘万物由来之谜

    揭秘万物由来之谜

    本书揭秘了万物的由来之谜,包含政治、经济、科技、节日风俗、邮政交通、国名地名等各个方面。
热门推荐
  • 追夫不成反被扑

    追夫不成反被扑

    君子墨在主世界是一株由万年寒冰玉集天地灵气蕴养而成的墨玉竹。不在主神之列却胜似主神。在处于化形期初显灵智,受天道雷劫的时候因为一个意外以灵魂形式被绑在主神轼尘的身边,奇怪的是在轼尘出现后便不受雷火焚身之苦,觉得轼尘是世间对他最好的人,便懵懵懂懂的跟着轼尘看尽人间情爱戏语。寒玉无心,亦不懂七情六欲。想要真正成神,却要历经七情。于是,在某个月黑风高夜轼尘在冥想中被潜意识依赖他的君子墨拉入衍生世界。成功完成了君子墨想要???被扑倒的意愿。(是分为两个世界的)情之一字,相思一念,谁能看破?世说,断红尘,斩情思。是以,不入红尘,怎破红尘,不恋相思,何解相思。
  • 偶遇先生,从了我吧

    偶遇先生,从了我吧

    她被前任堵在卫生间门口,问她:“你说你有了喜欢的人了,是谁?”她后无退路,正无措之际,他从她身后走了出来,她咬牙拉住他,对前任说:“是他!”前任走后,他对她挑眉:“你刚才算是跟我表白吗?”她脸红,晶亮的眸子映出他带笑的脸:“算!”
  • 花开江上

    花开江上

    他不喝孟婆汤,生生世世经受炼狱之苦,只为不错过与她的再次重逢;他忍受千年的寒冰刺骨,千年的寂寞清冷,只为还她一世安好。当千年后三个人再次重逢,又会又怎样的恩怨纠葛?
  • 休妻佳人

    休妻佳人

    真是难以想象,自己竟然会被丈夫休妻,想她白允儿琴棋书画样样精通,清丽绝尘;在家孝敬公婆、对丈夫百般依从,堪称当代妇女的楷模。这样的自己不知道犯了什么错,让丈夫不满意,竟然一纸休书就这么砸下来,砸的她火冒三丈,不仅如此,丈夫还说和自己在一起没有乐趣没有激情。开什么玩笑!好啊,要休离吧,休书嘛谁不会写,就让那该死的男人看一看,本小姐可不是让人欺负了之后就会垂头丧气一蹶不振的人,臭男人,你就等着接招吧!
  • 修炼青春的我们

    修炼青春的我们

    其实,青春跟我们想的不一样。不痒不痛,并不会发生太多我们所期许的事。于是,青春渐逝,青春里出现过的都已物是人非。你还在那里等我吗?
  • 道长养成计划

    道长养成计划

    乱世之中,无人可幸免。互相扶持,努力成长,努力不成为你的拖累。这是他的方向。愿我所爱之人能平安。世间之痛,已经无法倾袭。这是她的责任。无奇葩,全员智商在线,全员都是普通人。江湖之上,公平竞争。
  • 第二世界从魔塔开始

    第二世界从魔塔开始

    一队华山旅客无意间发现了另一个世界,可以像游戏一般,打怪升级获得不可思议的力量,还有长生的奥秘。他们自称为先驱者,代领人类探索新世界,开疆阔土,而机遇也代表着危险,这里有如游戏中的怪物和boss。纪知白后来者居上,有着勇攀高峰的意志,本已是域级强者,可在一次穿行两界时,意外迷失。再次睁眼,已是回到了人类开启第二世界之前。
  • 释迦氏谱

    释迦氏谱

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 我是系统之不能修炼

    我是系统之不能修炼

    系统流看多了,系统做主角不多吧?什么攻击无效,徒弟:我想,师傅:不,你不想
  • 千年情婳

    千年情婳

    一场揪心的聚会,令我烂醉如泥;一个诡异的梦境,令我违背承诺。可笑的善良与天真令我险些命丧黄泉,生死垂危之际,我遇见了她。美若天仙的女鬼、身世成谜的爷爷、暗藏玄机的吊坠。为了能和她在一起,我告别了自己原来的生活。恶鬼僵尸,阴森古墓,殊不知,一场巨大的阴谋已经围绕着我展开.....