巧用电火花改进平抛运动实验装置

摘要

新高考背景下的实验教学更加注重探究过程，由此决定实验装置对实验效果有着重要的影响。描绘平抛运动轨迹是探究平抛运动实验的难点，而部分教材介绍的实验装置存在不足之处。为此，以电火花高压脉冲放电形式设计制作新型平抛运动实验装置。该装置具有以下优点：能够精准记录抛体的运动轨迹，数据测量精确，可有效突破实验难点；开发成本较低，器材易购买、组装，操作简便。通过创新设计开发低成本、易操作的实验装置，可以充分发掘现有实验器材潜能，开发更多的实验课程资源，以便尽可能让学生自己动手做实验，在实践过程中提升科学素养和实验探究能力。

Graphical abstract

关键词

电火花 / 平抛运动 / 运动轨迹 / 距离测量仪 / Excel软件

在高中物理课程中，应注重科学探究，其中物理实验是科学探究的重要载体，这在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位^［1］。新高考背景下的实验教学更加注重探究过程，而实验装置对实验效果有着重要影响。平抛运动轨迹的描绘是探究平抛运动实验的难点，但新教材仍沿用旧教材的实验装置（图1）^［2］，在竖直面板上需夹上复写纸和白纸。实验时，钢球从轨道滚下，在水平段端口射出后做平抛运动。用该实验装置做平抛实验存在以下不足：①操作复杂。描绘一条完整轨迹需多次重复平抛过程并调整挡板位置。②不直观。记号点打在白纸背面看不到，且有时点未打上或出现较大偏差时不能及时发现。③存在系统误差，测量不精确。由于小球落入接球槽后因惯性会挤压白纸，导致点迹粗大，使得轨迹描绘粗糙，最终数据测量的误差较大。

为了解决上述问题，笔者利用电火花设计了一个新型平抛实验器，操作便捷，过程直观，学生易理解，实验精度高。

1 电火花平抛实验装置的结构和原理

电火花平抛实验装置如图2所示，其主要组成部分包括：竖直面板（附有薄铁板）、电火花打点计时器、斜槽、圆柱形重锤、接物槽、磁性橡胶条、A4石墨纸、方格热敏纸。电火花正高压脉冲插座连接薄铁板，负高压脉冲插座则通过较细漆包线连接圆柱形重锤；重锤靠近薄金属板的一端装有放电针，其长度可通过螺帽调节。

在实验前，利用水平仪将装置调至水平，再将重锤置于斜槽上端；在铁板上平铺一张A4石墨纸，再铺上方格热敏纸（心电图纸），有网格一面朝向石墨纸，再用磁性橡胶条固定。在实验时，按下电火花打点计时器开关，释放重锤，重锤滑出水平轨道做平抛运动。同时，高压脉冲电路工作输出50 Hz高压脉冲，重锤放电针与薄铁板两电极间产生火花放电，在热敏纸上留下一串平抛运动轨迹点。

2 实验数据与分析

实验得到平抛轨迹点，据此建立平面直角坐标（图3），再利用手机软件“距离测量仪”测出各点坐标（x，y），如表1所示。由于平抛物体在竖直方向的位移较小，所以记录数据的第一个点不取平抛运动的抛出点。再用Excel软件分别作出y-t图像、x-t图像及y-x图像（图4）。

3 实验总结与评价

该实验操作简单，学生参与度高，与传统仪器相比，此方法得到的轨迹的精确度高，且相邻轨迹点之间的时间间隔为20 ms。使用Excel软件“趋势线”进行图形化拟合，依据图像可分别研究水平方向和竖直方向的分运动。x-t、y-t两组数据的拟合结果都很好，其中y-t图像的拟合函数的二次项系数代表g/2，可得g=9.85 m/s²。由x-t图像的拟合函数的一次项系数，可得出平抛初速度v_x=0.80 m/s，表明竖直和水平方向分别是自由落体运动和匀速直线运动。y-x图像是一个抛物线方程，有力地证明平抛运动轨迹是抛物线，学生对此深信不疑。

利用电火花计时原理的平抛实验装置，开发成本低，学校可充分利用已有实验器材，努力开发适合学校条件的实验课程资源，以便尽可能让学生自己动手做实验，进行真实操作，从而有效提升学生科学实验素养^［3］。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 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.普通高中教科书物理必修第二册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[3] 王小军，史粉莉.立足教材整合　创新实验思路　培育学科能力：2023年高考理综全国乙卷第17题评析与教学启示［J］.中学物理教学参考，2023，52（26）：68-70.