一种平抛仪的制作方法

本实用新型涉及一种中学物理教学与实验仪器，尤其涉及一种平抛仪。

背景技术：

在高中《物理》必修2人教版的第三章第三节“平抛运动”一节中，是对运动的合成与分解知识的具体问题的分析应用，对后面斜抛等曲线运动的学习及现实生活中实际问题的解决都有影响。前面学生通过运动的合成与分解学习已有初步的理论基础，教材通过简单的实验演示，引导学生认识平抛运动的初步特征，但是目前上课采用的平抛运动实验仪器，学生并不能够直观的体验到平抛运动可以分解为竖直方向的自由落体运动和水平方向的匀速直线运动，更不会利用平抛运动的相关知识去解决实际问题，例如，课本中比较典型的较难理解的有飞机对目标位投掷物品的问题和用麻醉枪打猴子的问题。

技术实现要素：

为了使教学更具有直观性，增强学生的即时体验感，提高学生的学习兴趣，调动学生的积极性，本实用新型提供一种平抛仪，既可以演示平抛运动在竖直方向上的分运动是自由落体运动，也可以演示平抛运动在水平方向上的分运动是匀速直线运动，还可以引导学生利用平抛运动的相关知识去解决实际问题，本实用新型解决其技术问题所采用的方案主要有以下几点。

1、本实用新型提供的平抛仪包括三号铁球、水平固定支架、一号固定支架、透明塑料筐、导轨封头、二号调节螺母、指针固定支架、四号调节螺母、水平仪、指针、底板、海绵垫、支撑架、调平螺栓、二号导轨、二号漏斗、二号铁球、二号电磁铁、二号固定支架、标尺、背板、二号夹子、光电开关、记号线、一号导轨、一号漏斗、一号铁球、一号调节螺母、一号夹子、一号电磁铁、一号开关、三号调节螺母、二号开关、三号电磁铁、电源、一号二极管、二号二极管、三号二极管、三极管、电源指示灯、一号电阻、二号电阻、三号电阻、一号电容、二号电容、继电器等部分。其中所述的背板靠底板和支撑架固定支撑，背板与底板垂直，通过调节支撑架上的调平螺栓，根据底板上固定的水平仪来调节底板水平，从而使背板保持竖直状态，水平固定支架、一号固定支架、指针固定支架、二号导轨、二号固定支架、一号导轨、一号开关和二号开关都固定在背板的前面，不能移动，光电开关、电路板和所有的电路连接导线（未画出）都固定在背板的后面，光电开关嵌在紧挨一号导轨末端的背板的孔里面，与背板表面相平，表面无遮挡，一号导轨是1/4圆弧轨道，除水平仪位置以外的底板上铺有一层柔软的海绵垫，且在底板和背板下部通过卡扣固定有一个透明塑料筐，用来防止铁球四散掉落。

2、所述的背板的表面标注有四个方向的单位为cm的长度刻度线，两个水平方向的刻度对称标注，以右上方光电开关的纵向中心线为零刻线，两个竖直方向的刻度对称标注，以右上方光电开关的横向中心线为零刻线，三号电磁铁通过三号调节螺母固定在水平固定支架上，调节三号调节螺母可以使三号电磁铁沿水平固定支架左右移动变换固定位置，三号电磁铁下方在通电时吸住三号铁球，根据旁边的标注刻度可以确定三号铁球离平抛点的水平距离，指针是用天线改装的可伸缩指针，通过四号调节螺母固定在指针固定支架上，调节四号调节螺母可以使指针沿指针固定支架左右移动变换固定位置，根据旁边的标注刻度可以确定落在二号导轨上的铁球离平抛点的水平距离，二号导轨为接有1/4圆弧的水平轨道，二号导轨末端安装有导轨封头，通过二号调节螺母固定在一号固定支架和二号固定支架上，根据两支架旁边对称标注的刻度，调节二号调节螺母可以使二号导轨沿一号固定支架和二号固定支架上下移动变换固定位置并保持水平，也可以确定落在二号导轨上的铁球离平抛点的竖直距离，一号导轨和二号导轨的内表面很光滑。

3、所述的标尺两端等距离处各固定有一个一号夹子，因标尺的背面有电磁铁的连接导线，一号夹子只能左右变换位置，不能上下移动，一号电磁铁固定在一号夹子上，一号电磁铁下方在通电时吸住一号铁球，一号铁球正对粘在一号导轨上的一号漏斗的大口径入口，同样的，二号电磁铁固定在标尺另一端的一号夹子上，二号电磁铁下方在通电时吸住二号铁球，二号铁球正对粘在二号导轨上的同种规格的二号漏斗的大口径入口，二号夹子的两个夹子尾端用两根连杆（未画出）焊在一起，一根连杆固定在背板的后面，捏住另一根连杆就能同时张开两个夹子，方便一体控制，二号夹子的上方夹子的上边缘与背板上面的记号线相平，标尺上面以上方一号调节螺母边的整刻度线为零刻线标注有单位为cm的长度刻度，标尺的零刻线与二号夹子的上方夹子的上边缘之间的距离，与一号电磁铁吸附的一号铁球球心离光电开关的横向中心线的距离相等，二号夹子的上方夹子的上边缘处的示数就是一号铁球离光电开关的垂直距离，且一号铁球离一号漏斗入口的距离与二号铁球离二号漏斗入口的距离相等。

4、所述的电源指示灯是发光二极管，与2k的一号电阻串联成一条支路，光电开关是红外对管制成，光电开关的红外发射管与120ω的二号电阻串联成一条支路，光电开关的红外接收管与10k的三号电阻串联成一条支路，三极管用的是3dd15，三极管的基极接在光电开关的红外接收管与三号电阻的中间，发射极接在电源的负极上，集电极与常闭的继电器相连，控制三号电磁铁的通断，三号电磁铁与三号二极管并联，再与继电器的常闭开关管脚相连成一条支路，二号电容接在三极管的基极和电源的负极之间，一号电磁铁与一号二极管并联，二号电磁铁与二号二极管并联，两个电磁铁再并联后，再与二号开关串联成一条支路，所述的电源与一号开关串联成一条支路，一号电容和所述的各条支路都是并联，一号二极管、二号二极管和三号二极管都起到滤波的作用，还可以减少自感，一号电容和二号电容都是104的无极性电容，有延时作用，保证电路正常工作。

本实用新型的有益效果是该平抛仪操作简单，功能多样，设计的控制电路很好地解决了同时性问题；学生能够直观的体验平抛运动的两种分运动特点，可以学着利用平抛运动的相关知识去解决实际问题；能用直观的实验现象模拟课本中比较典型的较难理解的飞机对目标位投掷物品的问题和用麻醉枪打猴子的问题；可以通过一号铁球下落的高度不同，来改变平抛运动的初速度；打破传统的实验教学模式，让学生先预测实验结果，再动手操作进行验证，引导学生积极地参与实验，通过亲身经历获得更加直观的印象，提高教学效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型进一步说明，其中图1是本实用新型的结构示意图，图2是本实用新型的标尺调高的示意图，图3是本实用新型的控制电路图。

具体实施方式

本实用新型提出了一种平抛仪，能直观地演示平抛运动竖直方向上是自由落体运动，水平方向上是匀速直线运动的运动特性，引导学生应用平抛运动的初步知识解决一些实际问题。

本实用新型的结构示意图如图1所示，该平抛仪包括三号铁球1、水平固定支架2、一号固定支架3、透明塑料筐4、导轨封头5、二号调节螺母6、指针固定支架7、四号调节螺母8、水平仪9、指针10、底板11、海绵垫12、支撑架13、调平螺栓14、二号导轨15、二号漏斗16、二号铁球17、二号电磁铁18、二号固定支架19、标尺20、背板21、二号夹子22、光电开关23、记号线24、一号导轨25、一号漏斗26、一号铁球27、一号调节螺母28、一号夹子29、一号电磁铁30、一号开关31、三号调节螺母32、二号开关33、三号电磁铁34、电源35、一号二极管36、二号二极管37、三号二极管38、三极管39、电源指示灯40、一号电阻41、二号电阻42、三号电阻43、一号电容44、二号电容45、继电器46等部分。其中所述的背板21靠底板11和支撑架13固定支撑，背板21与底板11垂直，通过调节支撑架13上的调平螺栓14，根据底板11上固定的水平仪9来调节底板11水平，从而使背板21保持竖直状态，水平固定支架2、一号固定支架3、指针固定支架7、二号导轨15、二号固定支架19、一号导轨25、一号开关31和二号开关33都固定在背板21的前面，光电开关23、电路板和所有的电路连接导线（未画出）都固定在背板21的后面，光电开关23嵌在紧挨一号导轨25末端的背板21的孔里面，与背板21表面相平，表面无遮挡，一号导轨25是1/4圆弧轨道，除水平仪9位置以外的底板11上铺有一层柔软的海绵垫12，且在底板11和背板21下部通过卡扣固定有一个透明塑料筐4，用来防止铁球四散掉落。

所述的背板21的表面标注有四个方向的单位为cm的长度刻度线，两个水平方向的刻度对称标注，以右上方光电开关23的纵向中心线为零刻线，两个竖直方向的刻度对称标注，以右上方光电开关23的横向中心线为零刻线。三号电磁铁34通过三号调节螺母32固定在水平固定支架2上，调节三号调节螺母32可以使三号电磁铁34沿水平固定支架2左右移动变换固定位置，三号电磁铁34下方在通电时吸住三号铁球1，根据旁边的标注刻度可以确定三号铁球1离平抛点的水平距离，指针10是用天线改装的可伸缩指针，通过四号调节螺母8固定在指针固定支架7上，调节四号调节螺母8可以使指针10沿指针固定支架7左右移动变换固定位置，根据旁边的标注刻度可以确定落在二号导轨15上的铁球离平抛点的水平距离，二号导轨15为接有1/4圆弧的水平轨道，二号导轨15末端安装有导轨封头5，通过二号调节螺母6固定在一号固定支架3和二号固定支架19上，根据两支架旁边对称标注的刻度，调节二号调节螺母6可以使二号导轨15沿一号固定支架3和二号固定支架19上下移动变换固定位置并保持水平，也可以确定落在二号导轨15上的铁球离平抛点的竖直距离，一号导轨25和二号导轨15的内表面很光滑。

所述的标尺20两端等距离处各固定有一个一号夹子29，因标尺20的背面有电磁铁的连接导线，一号夹子29只能左右变换位置，不能上下移动，一号电磁铁30固定在一号夹子29上，一号电磁铁30下方在通电时吸住一号铁球27，一号铁球27正对粘在一号导轨25上的一号漏斗26的大口径入口，同样的，二号电磁铁18固定在标尺20另一端的一号夹子29上，二号电磁铁18下方在通电时吸住二号铁球17，二号铁球17正对粘在二号导轨15上的同种规格的二号漏斗16的大口径入口，二号夹子22的两个夹子尾端用两根连杆（未画出）焊在一起，一根连杆固定在背板21的后面，捏住另一根连杆就能同时张开两个夹子，方便一体控制，如图2所示，是标尺调高后的示意图，二号夹子22的上方夹子的上边缘与背板21上面的记号线24相平，标尺20上面以上方一号调节螺母28边的整刻度线为零刻线标注有单位为cm的长度刻度，标尺20的零刻线与二号夹子22的上方夹子的上边缘之间的距离，与一号电磁铁30吸附的一号铁球27球心离光电开关23的横向中心线的距离相等，二号夹子22的上方夹子的上边缘处的示数就是一号铁球27离光电开关23的垂直距离，且一号铁球27离一号漏斗26入口的距离与二号铁球17离二号漏斗16入口的距离相等。

如图3所示，是本实用新型的控制电路图，所述的电源指示灯40是发光二极管，与2k的一号电阻41串联成一条支路，光电开关23是红外对管制成，光电开关23的红外发射管与120ω的二号电阻42串联成一条支路，光电开关23的红外接收管与10k的三号电阻43串联成一条支路，三极管39用的是3dd15，三极管39的基极接在光电开关23的红外接收管与三号电阻43的中间，发射极接在电源35的负极上，集电极与常闭的继电器46相连，控制三号电磁铁34的通断，三号电磁铁34与三号二极管38并联，再与继电器46的常闭开关管脚相连成一条支路，二号电容45接在三极管39的基极和电源35的负极之间，一号电磁铁30与一号二极管36并联，二号电磁铁18与二号二极管37并联，两个电磁铁再并联后，再与二号开关33串联成一条支路，所述的电源35与一号开关31串联成一条支路，一号电容44和所述的各条支路都是并联，一号二极管36、二号二极管37和三号二极管38都起到滤波的作用，还可以减少自感，一号电容44和二号电容45都是104的无极性电容，有延时作用，保证电路正常工作。

在以下每次的实施例实验时，都是首先调节调平螺栓14，观察水平仪9，使整个装置处于平衡状态。

实施例1：通过二号夹子22调节，根据标尺20的标注刻度，使一号电磁铁30和二号电磁铁18处在需要的高度处，闭合一号开关31和二号开关33，把一号铁球27放在一号电磁铁30下方吸附，二号铁球17放在二号电磁铁18下方吸附，断开二号开关33，一号电磁铁30和二号电磁铁18同时失磁，一号铁球27和二号铁球17同时下落，当一号铁球27铁球经过一号导轨25的出口做平抛运动时，二号铁球17也同时沿二号导轨15做匀速直线运动，两球发生碰撞，保持标尺20的位置不变，根据两支架旁边对称标注的刻度，调节二号调节螺母6使二号导轨15沿一号固定支架3和二号固定支架19向上移动，改变位置固定并保持水平，重复上述操作，发现两球每次都会发生碰撞；保持二号导轨15的位置不变，调节二号夹子22使标尺20向上移动，通过改变标尺20的被夹的位置来改变电磁铁跟漏斗之间的高度，从而改变平抛运动铁球的初速度，改变位置后，多次重复上述操作，发现只要一号铁球27不撞上一号固定支架3，两球每次都会发生碰撞，当直接用手拿住其中一个铁球放入一个导轨中，重复上述操作时，两球则很少会发生碰撞了，说明平抛运动在水平方向上的分运动是同时发生的匀速直线运动，在应用平抛运动的相关知识解决实际问题时，重点要考虑同时性条件（如飞机对目标位投掷物品的问题）。

实施例2：通过二号夹子22调节，根据标尺20的标注刻度，使一号电磁铁30处在一号漏斗26入口的高度处，三号电磁铁34移至靠近光电开关23的位置，二号导轨15移至最低处，闭合一号开关31和二号开关33，把一号铁球27放在一号电磁铁30下方吸附，三号铁球1放在三号电磁铁34下方吸附，断开二号开关33，一号电磁铁30失磁，一号铁球27下落，当一号铁球27经过一号导轨25的出口做平抛运动时，挡光信号传到光电开关23，三极管39导通，继电器46断开，三号电磁铁34失磁，三号电磁铁34吸附的三号铁球1同时自由下落，,两球发生碰撞，保持标尺20的位置不变，根据标注的刻度把三号电磁铁34向左移，重复上述操作，发现开始的时候两球每次都会发生碰撞，当三号电磁铁34左移一定位置后，两球则再也不会发生碰撞了，保持此时的三号电磁铁34的位置不变，调节二号夹子22使标尺20向上移动，通过改变标尺20的被夹的位置来改变电磁铁跟漏斗之间的高度，从而改变平抛运动铁球的初速度，改变位置后，多次重复上述操作，发现两球又会发生碰撞了，当直接用手拿住一号铁球27放入一号导轨25中，重复上述操作时，两球则也会发生碰撞，因为光电开关23仍能控制三号电磁铁34同时释放三号铁球1，说明平抛运动在竖直方向上的分运动是同时发生的自由落体运动，在应用平抛运动的相关知识解决实际问题时，重点也要考虑同时性条件（如用麻醉枪打猴子的问题）。

实施例3：通过二号夹子22调节，根据标尺20的标注刻度，使一号电磁铁30和二号电磁铁18处在一号漏斗26入口的高度处，三号电磁铁34移至80cm的位置，二号导轨15移至最低处，闭合一号开关31和二号开关33，把一号铁球27放在一号电磁铁30下方吸附，断开二号开关33，一号铁球27会落入二号导轨15中，二号导轨15上移，多试几次，选择三号铁球1落点接近60至70cm处的位置固定二号导轨15，并用指针10对准此时的落点（不确定的话用一号铁球27再做几次，每次耗时远小于一秒），再闭合二号开关33，把三个球同时放在相应的电磁铁下方吸附，先预测哪两个铁球会发生碰撞，再断开二号开关33用实验验证，如果没有发生碰撞让学生思考应改变什么条件，再操作二号开关33重复上述步骤，发现不改变初速度时，只要是三号铁球1在指针10的左边，不管怎么移都不会被一号铁球27碰上，只有二号铁球17会被一号铁球27碰上，当三号铁球1在指针10的右边时，不管怎么移都会被一号铁球27碰上，二号铁球17就不会被一号铁球27碰上了，当三号铁球1正对指针位置下落时，三个铁球相碰，指针所指位置也是唯一能一起相碰的位置，引导学生应用平抛运动的相关知识解决实际问题，进一步解释用麻醉枪打猴子的问题要加上足够大的射击速度的条件的原因。

注意：本实施例中所用的全是型号规格相同的铁球，完成实验后铁球大都落在透明塑料筐4内的海绵垫12上，对仪器的损伤极小，偶尔有个别铁球会掉出，要及时收至海绵垫上，以防铁球缺失导致仪器无法使用，也可以多预备几个同种规格的铁球备用。