碰撞实验器法研究平抛物体的运动

【目的和要求】

　　通过实验描绘平抛物体运动的轨迹，加强对平抛运动的认识并求出平抛物体的初速度。

【仪器和器材】

　　碰撞实验器（J2135型或J2135－1型），绘图板，小球，白纸、铅笔、复写纸、过球指示器。

【实验方法】

　　1．实验器材的安装

　　将碰撞实验器用C形夹固定在桌边，如图2．23－1所示，注意使轨道的下段保持水平。检查是否水平的办法是将一钢球放在其上的任一点，它都能保持静止。把重锤挂在槽口下端定位针的小孔内。

　　在绘图板上固定好白纸，纸的边缘应与木板的一个边对齐，用支架将板竖直地固定在槽口旁，注意使木板平面与碰撞实验器的斜槽中心线平行。使钢球沿槽滚下，如果小球运动轨迹所在的平面始终与木板面平行，此时木板的位置就可以了。

　　2．坐标原点的确定

　　当小球从斜槽滚下离开槽口开始做平抛运动时，质心的位置在绘图板上的投影取作坐标原点，如图2．23－2。确定坐标原点的方法是：把钢球放在槽口上，用三角板作钢球最高点在竖直板上的投影A，在点A正下方R处（R为小球的半径）标明坐标原点O。

　　3．小球起始位置的确定

　　选择钢球在斜槽上的高度，使钢球做平抛运动时恰好在纸的另一边的下角处离开纸面。然后把定位板固定在选好的释放小球处，这样做的目的在于充分利用纸面。

4．小球的释放每次释放小球时，都必须从定位板所确定的位置处释放，而且释放的动作既要干净利落，又要保持一致，不要让小球获得任何方向的初速度，从而重复实验时小球做平抛运动的初速度接近相等。可用直尺将小球压在定位板上，然后使直尺向外迅速离开，即完成放球工作，如图2．23－3。

　　5．小球运动轨迹的描绘

　　将过球指示器置于距槽口2－3厘米处，使其迎着小球的速度方向。当小球恰好从过球指示器中穿过时，定出钢球质心位置，并把它标在白纸上。移动过球指示器，每次移动的距离为2－3厘米，依次找出钢球在平抛运动中的一系列位置在白纸上的投影点。

　　取下平板，用平滑的曲线连接各投影点，即得到钢球做平抛运动的轨迹。从坐标原点O向右引水平直线作为x轴，向下引竖直直线作为y轴。再将平板装回原处，按前述要求让小球重作一次平抛运动，对所画曲线进行核对并修正，使之更接近钢球的实际运动轨迹。

　　6．平抛运动初速度的计算

　　在所得平抛曲线的右下角取一点G，过G作与y轴平行的直线，再在这条直线与y轴间作数条与y轴平行且间距相等的直线，它们分别与曲线交于A、B、C、D、……。如图2．23－4。

　　由平抛物体的运动方程

　　可求得各点的水平分速度。将数据填入下表，并计算V₀的平均值，即为钢球的初速度。

 

【注意事项】

　　1．由于实验是让小球多次做平抛运动来描绘它的运动轨迹的，所以做好实验的关键在于让小球每次都在相同条件下运动，这就要求碰撞实验器、平板、挡球板的安装必须牢固，每次释放小球的动作也应一致。

　　2．描好平抛运动的轨迹，首先要按要求确定好坐标原点。小球运动中一系列位置在平板上的垂直投影，也要经反复移动过球指示器，判断准确后再描绘。实验时要尽量使过球指示器垂直于小球运动的方向。

　　3．小球的水平速度应取离抛出点较远的点来进行计算，否则会有较大的误差。

　　4．在小球落点附近应放置一些缓冲物，如泡沫塑料，线网等，以免损伤小球。

【思考题】

　　1．为什么实验时要将碰撞实验器的轨道的抛射段调成水平？它的位置对实验结果有什么影响？

　　2．除了本节介绍的确定小球轨迹的方法外，你还能想出什么办法？比较你所想到的办法的优点和缺点。