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1、等时圆演示器 等时圆 一、项目背景 物理不但是一门理论联络实际的定量自然科学，同时它又是一门试验科学。在教学中，老师不但要让学生体验理论的推导，更应该让学生体验试验的验证过程。“等时圆”是牛顿运动定律应用学习中的一类很好的例题。在实际教学过程中，我们发觉很多学生对“等时圆”的相关习题全部较难了解，因为在运算中包括到较多的三角换算。即使学生对理论推导能够掌握，也大多对其抱有怀疑的眼光，毕竟只是纯理论的推导。图1所表示例题：“ad、bd、cd是竖直面内三根固定的光滑细杆，a、b、c、d在同一圆周上，a点为圆周的最高点，d点为最低点。每根杆上全部套有一个小滑环，三个滑环分别从a、b、c处释放，用t1
2、、t2、t3依次表示各滑环抵达d所用的时间，则t1=t2=t3”这道题的答案是D。不过在测试时，很多学生全部没有答对，说明学生们对题目所创设的情景不是很了解。所以，为了使学生加深对情景的了解，有必须设计一个物理课堂教具来演示“等时圆”的整个运动过程。二、科学原理该项目采取四根管道，其一竖直向下，其二和竖直平面成30夹角，其三和竖直面成45夹角，最终一根和竖直面成60夹角。四根管道封闭在一个圆柱内，分别是圆截面的四条弦。管内放入小铁珠。在忽略管壁和空气阻力的情况下，小球受到重力和支持力的作用。重力垂直于管壁向下的分力和支持力平衡，因此协力就等于重力沿斜面下滑的分力。此分力为mgcos，依据牛顿第
3、二定律F合=ma，因此mgcos=ma，每个铁珠的加速度是a=gcos，其中是改轨道和垂直方向的夹角，而轨道的长度是L=2Rcos，再依据从静止开始的匀加速直线运动位移公式=at2，则得出t=2。所以，t和角度是无关的，从圆周最高点落到圆周其它点所用时间相同的。图2所表示。本装置采取了电磁铁吸住铁球，能够很好的控制释放的时间。达成“等时”的目标。三、设计过程该项目包含三个空心圆环组成的支架，每个空心圆环安装一根空心管，所述第一根空心管从第一个空心圆环的最高点沿直径延伸到第一根空心圆环的最低点，所述第二根空心管从第二个空心圆环的最高点沿和直径成30的方向延伸到第二个空心圆环的圆环上，所述第三根空
4、心管从第三个空心圆环的最高点沿和直径成45的方向延伸到第三个空心圆环的圆环上，所述三个空心圆环和三根空心管在最高点交汇处分别设有一个小球释放装置，所述小球释放装置中分别装有一个小球。所述小球释放装置为电磁铁，所述小球为铁球。所述三个空心圆环为透明空心圆环，所述三根空心管为透明空心管。采取上述技术方案，本创造的物理课堂教具在演示时，将三个小球分别放在三个空心圆环和三根空心管在最高点交汇处的小球释放装置中，同时打开三个小球释放装置，能够看到三个小球同时流出三根空心管，从而演示出在重力条件下，从圆周最高点落到圆周其它点所用时间相同的“等时圆”原理。所以，本创造的物理课堂教具含有演示“等时圆”原理的功
5、效，含有加深学生了解“等时圆”原理的优点。下面结合附图和详细实施方法具体说明，见图3。四、制作过程在制作中我们发觉，用多个独立的环造成了一定的材料浪费，而且观察试验现象也比较困难。于是我们将多个平面放置在同一个圆柱形结构中。在每个珠子的释放全部点安装电磁铁。电磁铁通电时能够吸住铁质小球，一旦断电小球将滚下去，直到碰到底部。见图4、图5。装置用透明有机玻璃制作，便于观察。圆柱形的主体结构能够旋转，使得各个珠子能够滚回顶端A点。滚回A点后开启电磁铁能够吸住全部铁珠。也可演示整个平面和竖直倾斜一定角度的情况下的下落情况，见图6、图7。在每个管子末端加装触碰开关，控制发光二极管，用发光二极管的灯光来强
6、调小球已经落到底端。在每个管子末端加装触碰开关，并联在发光二极管上，用电压传感器来指示小球已经落到底端，从计算机上的U-t图线来定量证实下落的等时性，见图8。五、试验效果和深入的完善经过试验，试验效果相当显著。既能够用听觉听声观察，又能够用眼观察现象。现在装置可演示从同一高度下落到圆上其它点的情况。我们正在深入加工，在管子的末梢也加上电磁铁，管子的起点也装上发光二极管，这么能够翻转过来演示从圆上不一样点下落到同一高度点的等时性。用单刀双掷开关分别控制上下两部分各四个电磁铁，当上部断电后下部恰好通电，既可吸住小球使之不反弹，又可为圆体倒置后下一次反向的试验做准备。经过试验，电磁铁相比重力对小球的运动影响极小，对其运动的干扰可忽略不计。
