平抛运动实验装置的新改进

2022.07.03

石勇

摘? 要：平抛运动实验是中学物理最基本、最常见的实验，但由于实验器材可操作性差，使得实验效果不太理想。文章比较了教材中常见的三种实验器材原理的优劣，提出采用潜水泵抽水，用水流平拋来代替小球平抛的方法。

关键词：平抛实验;装置;水流平抛

中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）9-0045-2

1? ? 仪器设计的出发点

关于平抛运动实验在各种版本的教材中主要有3种不同的方法。其共同点是均选用小球作为平抛运动的模型。不同点是确定小球平抛运动轨迹点的方法不一样：（1）在硬纸片上挖与小球等大的圆孔，将其放在某一位置，小球运动过程中穿过该孔，该孔的圆心即为小球的轨迹点;（2）用略向内倾斜且可上下升降的木条拦截小球，通过木条与竖直平面板的挤压将其作用点记录在白纸上;（3）采用人为视觉粗略描点法，先大致估计一点，再让小球运动，然后较精确地确定一点。上述三种方法的共同缺点是“小球体积太大无法准确定位”。

2? ? 改进设想

选用一股细小的连续的水流平抛代替小球平抛，较好地呈现平抛状态。再用学生激光光源定位，就能准确地确定每处水流的位置。最初采用医用输水瓶输水的方法让水流平抛，但操作不易，效果不理想。笔者后来采用潜水泵抽水，这样做水流可以平稳流出，平抛效果较好。

3? ? 制作材料

潜水泵一个（品牌：昂特20W潜水泵;型号：AT-505;额定电压/频率AC220 V～240 V 50 Hz）;输水管一根（约67 cm）;厚度为 0.4 cm的水晶板制作的平抛运动竖直平面板一块;厚度为 0.9 cm的PVC材料制作的盒子及机械手各一个;学生激光光源一个;螺丝钉若干;吸管一支。

4? ? 装置图

装置图如图1所示，工具箱及机械手结构图如图2、图3所示。

装置图中对应的分别是：①水槽;②潜水泵;③盒子;④盒盖;⑤机械手;⑥学生激光光源;⑦透明水晶板;⑧细输水管;⑨水平控制器。

其中，潜水泵为昂特20W潜水泵，型号为AT-505，额定电压/频率为AC220 V～240 V 50 Hz。

5? ? 技术参数（见表1）

6? ? 制作方法

（1）用PVC材料制作仪器盒子（含盒盖）。仪器盒的主要功能是盛水，但考虑到整个装置的功能，因此要将盒子分隔为两部分，一部分为水槽，另一部分为机械手装置的位置。

（2）用透明的水晶板制作平抛运动轨迹记录板。在盒子与盒盖之间，用可转动的合页将水晶板的一端与盒子相连。使用合页目的有两个：①方便折叠，便于携带;②可调板面竖直。

（3）用PVC材料制作机械手。先用PVC材料分别制作长19 cm、16 cm的两窄条;再将两窄条用螺母相连，构成可转动的关节。然后将机械手下端用螺母与盒子底相连，构成另一个可转动的关节，机械手的上端安装一个金属夹（用于安装激光笔）。

（4）用PVC材料制作水平控制器。用PVC材料制作一小方块（3 cm×2 cm），先在上端打一个小孔穿过两端，再将吸管嵌入内（注意该吸管要与小方块的上棱边相平行），然后在吸管里穿过细输水管，并且固定。其出水端与小方块相齐，最后将其用螺母安装在透明水晶板左上方距盒底35 cm处。注意松紧适当，要可转动，可固定。

（5）安装潜水泵。在水槽左侧壁安装潜水泵，将细水管一端连接在潜水泵的出水口处。

（6）将学生激光光源安装在金属夹上。金属夹有两个作用：①固定激光器;②可以控制激光器开关。

7? ? 使用方法

（1）将小球放在水平控制器上方，若小球在任意处平衡，则细水管出射速度水平。

（2）在透明水晶板的背面用透明胶贴上一张白纸。

（3）在出水口正下方的小钉上悬挂一重锤线，前后调整水晶板的位置，让水晶板竖直。

（4）调整学生激光光源，垂直照射细水管出口，用铅笔将光斑的圆心记录在白纸上，并作为坐标的原点。用同样的方法将重锤线的方向记录在白纸上。

（5）将潜水泵与电源接通，水流水平射出。在水流曲线上选取若干点，用学生激光光源垂直照射，在白纸上记录下各光斑圆心的位置。

（6）取下白纸，连接坐标原点与重锤线上另一点，作为y轴，通过坐标原点作垂直y轴的x轴，将各点用平滑的曲线连接起来。

（7）在曲线上选取几点，测量出各点的x、y值，代入公式求出初速度的大小，最后求其平均值。

8? ? 注意事项

（1）若潜水泵出现噪音，则是出水量与进水量不匹配造成的，可在潜水泵出口的输水管上打些小孔，让多余的水从四周流出，从而调节平衡。

（2）水流速大小可通过调节潜水泵与细水管的衔接深度来调节。

（3）水槽中没有水时，切勿接通潜水泵电源开关。

（4）每隔一段时间要给螺丝钉打润滑油，防止生锈。

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书《物理》（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]胡博.平抛运动实验装置的改进[J].实验教学与仪器，2018（4）：29.

[3]刘明忠.“平抛运动”实验的分析与再改进[J].实验教学与仪器，2017（12）：28-30.

（栏目编辑? ? 王柏庐）