创新设计“探究两个直线运动的合运动”实验

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  高中物理必修2第五章第2节“运动的合成与分解”中,利用小蜡块在玻璃管中上浮,同时移动玻璃管来演示物体运动的合成与分解。这个实验只有利用多媒体课件才能很好展现给学生,使学生了解运动合成与分解的过程。作为课堂演示实验,教师在实际操作中会遇到许多困难,如小蜡块在玻璃管中的匀速上浮怎样控制?玻璃管的匀速运动又如何控制?而且小蜡块在玻璃管中的上升是连续的,不能在中途停下进行分析,必须借助板画等其他的形式辅助說明。
  为了使学生在观察演示实验的过程中,更好地分析合运动与分运动各物理量之间的矢量关系,我指导学生制作了如下“运动合成与分解实验”的演示器。
  1.演示器的结构及制作
  1.1制作材料
  长木板1块,废旧桌面板1块,定滑轮3个,收线轮装置1个,收线轮装置2各1个,动滑轮1个,物块2个,小车1个,细线、铁钉等若干。
  1.2制作说明
  按照下方的装置结构图,先在废旧桌面板上固定小车水平运动轨道(可以用两根并排的金属杆),在小车上安装小型电动机M(电动玩具上拆卸),在板上也安装相同的小型电动机N和定滑轮a、b以及收线轮轴d,长木板作为底座。然后将物块A、B、C分别拴上细线,调整好细线的长短使A、B同一高度,B、C右侧对齐,如图中位置,其中连接物块A的细线系在小型电动机N上, 连接物块B的细线系在小型电动机M上,物块C放在木板上,用细线通过定滑轮a连接到收线轮d上,安装有小型电动机M的小车用细线通过定滑轮b连接到收线轮d上。在面板背后装有小型电动机P,通过皮带带动收线轮轴转动。
  2.实验演示
  2.1实验步骤
  2.1.1.在收线轮轴d上安装收线轮装置1,同时开动电动机,可观察到A竖直向上做匀速直线运动,C向右做匀速直线运动,B斜向上做匀速直线运动。可观察物体B水平方向的运动与C相同,B竖直方向的运动与A相同,故B的运动可以看成A和C的合运动。断开电动机开关,分析合运动与分运动各物理量的关系符合矢量的平行四边形定则关系。
  2.1.2在收线轮轴d安装收线轮装置2(收线轮可用粗铁丝饶在圆台侧壁制成),同时开动电动机,可观察A竖直向上做匀速直线运动,C向右做匀加速直线运动,B上做曲线运动(抛物线)。观察B水平方向的运动与C相同,竖直方向的运动与A相同,故B的运动可以看成A和C的合运动。断开电动机开关,分析合运动与分运动各物理量的平行四边形定则关系。
  2.1.3在收线轮轴d和小型电动机M、N上都安装收线轮装置2,同时开动电动机,可观察A竖直向上做匀加速直线运动,C向右做匀加速直线运动,B斜向上做匀加速直线运动或匀加速曲线运动。观察B水平方向的运动与C相同,竖直方向的运动与A相同,故B的运动可以看成A和C的合运动。任意时刻断开电动机开关,分析合运动与分运动各物理量的平行四边形定则关系。
  2.2装置特点及使用注意事项
  2.2.1本演示器装置取材大多是从废旧物品上拆卸的,我们学生都可以亲手制作,实验利用滑轮和两种收线轮装置进行巧妙设计,不仅可演示两个匀速运动的合成分解问题,还可演示两匀变速直线运动的合成问题以及一个匀速运动与一个匀变速直线运动合成曲线运动的问题。演示效果直观,易操作,准确度也较高。
  2.2.2制作和实验时为了减少摩擦,C可以用小车。
  2.2.3实验通过电动机可以比较好的控制匀速运动。
  (作者单位 安徽省黄山市歙县第二中学)
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