用留光布研究平抛运动规律的实验改进

2020-03-17 09:26王刚李广兴杨天照
物理教学探讨 2020年1期
关键词:平抛运动紫光

王刚 李广兴 杨天照

摘   要:研究平抛运动轨迹和运动规律在教学中具有重要意义。本实验利用材料的荧光效应,创新传统的留迹方法,获得物体运动的间断性轨迹和全程轨迹,从而分析、研究物体的运动规律。本案例结合了教材中的频闪照片、描点作图、拟合曲线等方法,利用紫色激光在绿色留光布上留迹,快速、简洁,并可多次重复利用,有利于引导学生深入学习探究,激发学生动手实验和分析解决问题的兴趣。

关键词:荧光效应;平抛运动;紫光;留迹

中图分类号:G633.7 文献标识码:A    文章編号:1003-6148(2020)1-0075-4

以往研究平抛运动的规律,我们通常使用的是打点留迹、频闪照片、水柱留迹等方法,如图1所示。

传统的打点留迹法需要多次重复实验,操作不便;频闪照片需要频闪光源和照相设备,对于教育条件不太发达的地区不能很好地推广使用;水柱留迹可以定性观察,但不宜定量研究。本文研制的留光布留迹法,从节能、环保和方便诸多方面入手,形象、直观地反映了平抛规律,器材简单,而且可以实现材料的重复使用。

1    实验目的

探究平抛运动的规律。

2    实验原理

本实验利用材料的荧光效应,使编程后的频闪激光圆盘在绿色留光布上留迹。通过提前建立的坐标系可以读出各点的位置坐标,利用Excel数据处理软件,可以拟合数据点并得到平抛运动的轨迹方程、水平方向的位移与时间关系、竖直方向的位移与时间关系,进而实现研究平抛运动规律的目的。

经过编程的激光圆盘可以实现两个功能,功能1是打开开关让激光笔处于长亮状态,利用此功能可以在留光布上留下连续的平抛轨迹,使学生获得感性的认知。功能2是长按开关,让激光笔实现频闪状态,频率为40 Hz,即激光笔每0.025 s亮一次。利用此功能可以得到等时间间隔的数据点,通过记录各点的位置坐标,可以得到水平和竖直方向的位移-时间关系。

3    实验器材

留光布、自制频闪激光转盘、透明坐标纸、激光笔、刻度尺、电脑、斜槽。

器材简介:

1.留光布

用光书写,可将字迹和图案呈现出来,一般2分钟左右消失(图2)。

2.自制频闪激光圆盘

实物照片如图3。

频闪激光圆盘的制作过程如下:

①单片机。宽电压版,2.8 V~5.5 V都可运行,通过编程控制常亮的激光通断。实物集成了复位电路,高精度可编程时钟,该材料可以网上购买,具体如图4所示。

②焊接实物图。将电路板尽可能缩小,放置在一个圆形的盘内,考虑到转动过程中转动惯量带来的影响,需要考虑对称、配重问题,让激光笔处在圆心处,保证圆心的运动为平抛运动,具体如图5所示。

设置两个程序 ,程序可以自由编程,经过反复试验,确定频率为40 Hz 较理想。开启开关处于长亮状态,长按开关1 s切换为40 Hz频闪状态。所编程序如下:

#include

#include

sbit jg=P5^4;

sbit key=P3^2;

unsigned char num;

void delay(unsigned int n)  //@11.0592MHz

{

for(;n>0;n--)

{

unsigned char i, j;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

i = 11;

j = 190;

do

{

while (--j);

} while (--i);

}

}

void main(void)

{

P5M1=0x00;

P5M0=0x10;

num=0;

while(1)

{

if(key==0)

{

delay(10) ;

if(key==0)

{

while(!key);

num++;

if(num>1)

{

num=0;

}

}

}

if(num==0)   //1HZ

{

jg=1;

// delay(500);

//jg=0;

// delay(500);

}

/* else if(num==1)  //40HZ

{

jg=0;

delay(22);

jg=1;

delay(3);

}

3.透明坐标纸

在薄膜上建立坐标系,主要用于拓下光影轨迹,进行数据分析,让数据反映平抛运动的情况。

4.激光笔

用于曝光较弱、能量不足时对留光布能量的及时补充。

5.刻度尺

对平抛的坐标进行精准的测量。

6.电脑、Excel软件

收集数据,拟合曲线,寻找规律。

4    实验步骤

1. 将留光布固定在竖直的展示板上,将斜槽固定,调整斜槽末端水平。

2. 调整环境光线,使之尽可能较暗。

3.将自制频闪激光圆盘设置在状态一,即长亮状态,从斜槽上某一位置静止释放,在留光布上留下痕迹(图6)。

4.用透明坐标纸拓下圆盘留下的痕迹,建立坐标轴,取轨迹上的多个点,读数填表(表1),并在电脑上描点进行曲线拟合(图7),显示方程。

5.将自制频闪激光圆盘设置在状态二,即激光笔在单片机控制下的频闪状态,从斜槽上某一位置静止释放,在留光布上留下痕迹(图8)。

6.用激光笔及时补充因曝光能量小而逐渐变暗的点迹,用透明坐标纸拓下圆盘留下的痕迹,建立坐标轴,分析水平方向和竖直方向的运动。如表2、图9、图10所示。

5    得出结论

1.平拋运动的轨迹方程为:

y=0.0452x2+0.0028x-0.1334

该式为二次函数,故平抛运动的轨迹为抛物线的一部分。

2.水平方向的位移-时间关系为:

y=3.2464x+3.3943

该式为一次函数,故水平方向为匀速直线运动。

3.竖直方向的位移-时间关系为:

y=0.4735x2+1.0908x+0.0896

该式为二次函数,即竖直方向为匀加速直线运动。

6    仪器的优势和不足

该仪器既适合定性观察运动轨迹,又方便定量处理实验数据。除平抛运动外,可以拓展做出自由落体运动、斜抛运动、碰撞以及简谐运动等众多留迹实验。

使用大功率的激光笔做实验,避免用激光笔进行能量补充时造成的误差,效果可能会更好。

参考文献:

[1]徐忠岳.平面打点计时器的新设计与应用[J].中学物理教学参考,2015,44(6):60-64.

[2]马俊杰.巧用单反数码相机实现频闪功能[J].物理教学探讨, 2012,30(12):54.

(栏目编辑    李富强)

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