运动合成与分解演示仪的制作

摘要

在教学实践中，运动的合成与分解演示实验存在实验现象不直观等问题。创新设计并制作了一款运动合成与分解演示仪，演示仪主要通过电机带动螺丝螺母传动装置工作，仪器分别在水平方向和竖直方向利用丝杆螺母传动机构带动软性笔移动，通过软性笔能在白色有机板上画出运动合成轨迹。该装置实验现象直观，结构简单明了，制作容易，演示操作方便，值得推广。

Graphical abstract

关键词

丝杆螺母传动 / 软性笔 / 运动合成 / 演示仪 / 制作

高一物理“曲线运动”中运动的合成与分解是联系直线运动与曲线运动的桥梁，合成与分解是高中物理的重要思想方法之一，在高中物理教学中占有举足轻重的地位。学生虽然之前已经学习了力的合成与分解，但运动的合成与分解这一思想方法本身具有一定的抽象性，学生理解和接受起来还是会存在一定困难。运动的合成与分解是理解曲线运动的基础，理解起来过于抽象，导致很多学生学习较为困难，所以运动的合成与分解是学习曲线运动的重点和难点内容。为了突出重点、突破难点，教师应通过演示实验帮助学生建立物理图景、建构新知，让学生充分积累感性认知，通过实验观察后再上升到理论认知，这样可帮助学生完成学习进阶。

1 运动的合成与分解演示实验存在的不足

教材提供的演示实验采取玻璃管中红蜡烛的运动演示方案，虽然操作简单、成本低，但是红蜡烛的运动过程无法定量描述，同时红蜡烛在上升初期是加速过程，上升末期是减速过程，只有中期是匀速，整个过程却不是匀速运动，与教材中匀速变化的要求不符，因此教材中的合成演示实验在演示时存在以下缺陷：一是由于是手动实验，故移动玻璃管时不能保证匀速；二是演示时连贯性、对比性差；三是蜡块运动径迹不能做到留轨显示。为此，很多教师采用多媒体课件替代实验去突破教学难点、完成教学任务，但在提倡素质教育的今天这样做显然是不可取的^［1］。

目前的运动合成与分解演示仪大多不能实时描绘2个速度大小、方向均不同的运动的合成运转轨迹。针对这一现状，创新设计并制作了一款运动合成与分解演示仪（图1），演示仪主要通过电机带动螺丝螺母传动装置工作，仪器分别在水平方向和竖直方向上利用丝杆螺母传动机构带动软性笔同时移动，利用软性笔，在白色有机板上画出运动合成轨迹。该装置结构简单明了，制作方便，演示实验时现象直观。

2 演示仪的结构设计

根据运动的合成与分解演示实验要求，创新设计的运动合成与分解演示仪由2台直流调速电机、2套丝杆螺母传动装置、联轴器、电源、正反转开关、调速开关、白板和软性笔组成，水平和竖直方向的2个滑动螺母在丝杆的带动下可沿水平方向和竖直方向匀速移动，螺母移动的方向由正反转开关控制，螺母移动速度的快慢可由调速开关控制。画运动轨迹曲线的软性笔安装在竖直方向的滑动螺母上，软性笔在2套丝杆螺母传动装置的作用下可单独沿水平方向、竖直方向以及合运动方向在白板上画出运动轨迹曲线，从而实现运动合成演示。

3 演示仪的制作

按照图1所示的结构图，制作出的运动合成与分解演示仪的结构如图2所示。制作时先用不锈钢焊接一个支架，在支架的水平方向和竖直方向分别安装一块白色有机玻璃板。水平方向的丝杆螺母传动装置在安装时要保证其滑动螺母与水平有机玻璃板之间大约有1 mm的滑动间隙，这样才不影响滑动螺母水平移动。同理，竖直方向的丝杆螺母传动装置安装方法和水平方向的一样。

电机与丝杆螺母传动装置的丝杆通过网上购买的联轴器将两者连为一体。2台电机的控制电路如图3所示。2个电机额定电压为12 V，S₁和S₂为2个电机的正反转控制开关，R₁和R₂为2个电机的调速电位器。

4 演示仪的使用

（1） 水平方向分运动演示。断开S₂，将开关S₁搬向正传，R₁调到合适位置，电机M₁以一定速度水平向右运动，水平丝杆上的滑动螺母带动软性笔向右运动，在水平方向画出一条水平直线，演示水平分运动。

（2） 竖直方向分运动演示。断开S₁，将开关S₂拨至正传，R₂调到合适位置，电机M₂以一定速度竖直向上运动，竖直丝杆上的滑动螺母带动软性笔向上运动，在竖直方向画出一条竖直直线，演示竖直分运动。

（3） 定速运动合成演示。先将电位器R₁和R₂调到合适位置，保持电机工作电压一定，2个分运动都为定速运动，然后同时打开S₁和S₂，使M₁和M₂同时正转，软性笔在白色面板上画出一条斜向上的直线，演示水平和竖直两个方向运动合成后其运动轨迹为一条倾斜直线。两个电位器R₁和R₂调的位置不同，水平和竖直方向的运动速度就不同，用软性笔描绘出的斜线倾角也不同。仪器演示效果如图4所示。

（4） 变速运动合成演示。先同时打开S₁和S₂，使M₁和M₂同时正转，在运动的过程中将电位器R₁和R₂不断进行调整，使电机工作电压连续发生改变，两个分运动都为变速运动。此时，软性笔在白色面板上画出一条曲线，这时可演示水平和竖直两个方向的两种变速运动，运动合成后的轨迹为曲线。

因此，本演示仪可演示水平和竖直方向上的多种运动的合成。

5 演示仪的主要特点

（1） 该演示仪克服了教材小蜡块实验不能记录轨迹、不便于观察和学生难以理解等不足。该装置配有调速器，可分别实现匀速和变速直线运动的合成，有助于学生理解和掌握运动的合成与分解的方法^［2］。

（2） 该运动合成与分解演示仪利用网上购买的打印机丝杆螺母传动配件制作成本低，制作简单，操作方便。

（3） 该演示仪采用彩色软性笔在白板上描绘运动轨迹，图象清晰，显示效果好。

参考文献

[1] 洪钟，叶水茵.运动合成演示仪的制作［J］.物理通报，2005，26（05）：58-59.

[2] 陈苗，潘学军，周晓林.运动合成演示仪的设计与制作［J］.中学物理教学参考，2015（16）：90-92.

基金资助

四川省教育发展研究中心重点课题“基于核心素养的高师物理师范生科技创新实践深化研究”(CJF20005)