蜡块运动试验,曲线运动的轨迹怎么算呢?

蜡块运动试验,曲线运动的轨迹怎么算呢?
蜡块运动试验,曲线运动的轨迹怎么算呢?

蜡块运动试验,曲线运动的轨迹怎么算呢?
红蜡块实验是现行《人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修2》第五章《曲线运动》的第2节“质点在平面内的运动”中的重要演示实验.该节的教学目标为：①知道物体的运动轨迹不是直线时,需要建立平面直角坐标系进行研究；②经历蜡块运动位置、轨迹的研究过程；③经历蜡块速度的研究过程,体会运动合成所用的方法；④初步认识运动的合成与分解遵循平行四边形定则；⑤能够初步分析运动的合成与分解问题；⑥能够用图示方法表示合速度与分速度.在这一节中我们首先要关注的是质点在平面内的曲线运动问题.这样我们就要在两维空间研究质点的位置、轨迹和速度问题,所以需要建立平面直角坐标系进行研究.同时要牢牢把握住教科书中指出的：“在本节的实验和例题中,物体沿着相互垂直的两个方向的分速度都不随时间变化,但以上思想和方法对其他运动也是适用的.”因此在完成研究质点位置、轨迹和速度问题后,需要让学生体会这样的研究方法,并把它与力的合成与分解进行对比.这样看来做好演示试验是上好该课的关键.教科书在实例选择时没有选用轮船渡河的现象来研究,主要是考虑有的学生对这一现象生活体验不够,缺乏感性认识,且演示困难；而蜡块实验演示方便,操作简单,直接能够在课堂里观察,可以直观的让学生了解平面内的曲线运动.同时对蜡块位置、轨迹和速度的研究也是十分简单方便,并能够清楚的反应出运动合成所用的方法,帮助学生体会这类问题的研究方法.由此可见,红蜡块实验在该节教学内容中的重要性.
标记线1

标记线2

图1

但是该实验在操作时存在以下困难：①实验中常常由于红蜡块两头形状的不同,每次比较时需要倒置两次才能获得有效的实验数据.这不仅操作麻烦,也产生不必要的实验干扰；②实验中水平方向用手直接移动,难以做到匀速运动；③实验中蜡块运动轨迹不易描述,使描轨迹的学生活动难以开展.为了解决上述困难,笔者对该实验进行了改进,改进后的演示仪器不仅解决了上述困难,并且仪器制作简单,实验操作方便,实验效果比较理想.
1、实验装置的改进
(1)玻璃管选取一根长1m内径略大于1cm的玻璃管（如图1）,一端封闭装满水.在距玻璃管底端15cm处及距顶端10cm处各贴一圈黄色标记线,实验中只研究红色标记物在这两根标记线之间的运动情况,这样可以避免浮体由静止开始做变加速运动过程的影响.
(2)原红蜡块用改制的浮体来代替,如图2所示用泡沫塑料制作出一个圆柱体,直径比玻璃管内径小3mm左右,将细铁丝缠绕在圆柱体上,以便通过U形磁铁将浮体从顶端移至下端,这样设计可以避免将玻璃管来回倒置.所绕铁丝的长度可以控制浮体在水中上浮速度的大小,以达到最佳实验效果.同时在圆柱体外贴上红色薄油纸,使改制后的浮体与红蜡块更为接近.
图2

(3)为了使实验更加稳定,选取测定匀加速直线运动加速度实验中的塑料小车,将玻璃管固定在小车上（如图3）,并让小车在一长木板上通过绳子由电动机牵引运动.
（4）电动机选用工作电压为交流220伏电动窗帘上配套的专用电机设备,它的专用机械结构使电机具有强大而又稳定的 图3

牵引力,正常牵引速度在每秒2厘米左右,这非常符合我们实验的要求.实验中电机的转速还可以借用调光台灯的电压控制电路来实现,使牵引的小车不仅能做匀速运动,还能做变速运动以满足研究各种运动合成的需要.
（5）为了能在实验中描出运动物体的轨迹,选用一块边长在80厘米左右的正方形透明有机玻璃板,并在板上画出方格用于定位蜡块运动时所处的位置.
2、实验的操作过程
实验1：探究物体运动的独立性
实验时先让学生观察红色浮体在玻璃管静止时匀速上升,再让学生观察红色浮体在上升的同时小车在电动机的牵引下在水平的长木板上做匀速运动（如图4）.激发学生思考：红色浮体在竖直方向上的运动是否会因水平的运动的变化而产生影响?如何设计实验来探究这个问题?在学生提出各种想法后的基础上,引导学生设计实验方案：玻璃管静止时,测出红色浮体在两根标记线间运动的时间T1；红色浮体在匀速上升的同时玻璃管在水平方向上做匀速运动,测出红色浮体在两根标记线间运动的时间T2.如果T1、T2在实验误差允许的范围内近似相等,则可以说明红色浮体在水平方向上的运动不影响它在竖直方向上的运动.实验过程中给学生分发计时秒表,让学生来测量两次的时间,让学生在探究活动中体验物理规律.
实验2：探究合运动物体的轨迹
如图4

当物体同时参与两个运动时,其合运动是怎样的轨迹对学生来说是一个非常值得探究的问题.实验时先让学生对水平和竖直都作匀速运动时会是怎样的轨迹进行猜测,再提出用什么方法来记录物体的运动轨迹,引导学生用描点法来描绘红色浮体的轨迹.实验时将画有方格线的透明有机玻璃板竖直放置在长木板后面,学生在板的后面用较粗的红色记号笔记录红色浮体的运动过程中的位置,一般每隔1s描一次红色浮体的位置,这样设计主要考虑描点时不要影响玻璃管的运动.正常情况下描绘出的实验图线是一条比较理想的直线.然后再让学生研究竖直方向匀速运动而水平方向作加速运动时是怎样的运动轨迹,重复上面的学生活动过程,并通过台灯调光电路使红色浮体在水平方向作加速运动.实验中得到一条曲线的轨迹对学生进一步理解运动合成的概念有重要意义.
设计这样的实验装置可以使得学生更好的观察运动的合成与分解问题,并可以与学生进行互动,使更多学生参与到物理实验的操作过程中来,在学习运动合成的过程中,也能体验通过设计实验来研究物理问题的方法.

看你这么多问题都觉得累啊