一、項(xiàng)目背景
　　物理不僅是一門(mén)理論聯(lián)系實(shí)際的定量自然科學(xué)，同時(shí)它又是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。在教學(xué)中，教師不僅要讓學(xué)生體驗(yàn)理論的推導(dǎo)，更應(yīng)該讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證過(guò)程。
　　“等時(shí)圓”是牛頓運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用學(xué)習(xí)中的一類(lèi)很好的例題。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)“等時(shí)圓”的相關(guān)習(xí)題都較難理解，因?yàn)樵谶\(yùn)算中涉及到較多的三角換算。即使學(xué)生對(duì)理論推導(dǎo)能夠掌握，也大多對(duì)其抱有懷疑的眼光，畢竟只是純理論的推導(dǎo)。
　　如圖1所示例題：
　　“ad、bd、cd是豎直面內(nèi)三根固定的光滑細(xì)桿，a、b、c、d位于同一圓周上，a點(diǎn)為圓周的最高點(diǎn)，d點(diǎn)為最低點(diǎn)。每根桿上都套有一個(gè)小滑環(huán)（圖中未畫(huà)出），三個(gè)滑環(huán)分別從a、b、c處釋放（初速為0），用t1、t2、t3依次表示各滑環(huán)到達(dá)d所用的時(shí)間，則（）
　　A.t1t2>t3C.t3>t1>t2D.t1=t2=t3”
　　這道題的答案是D。但是在測(cè)試時(shí)，很多學(xué)生都沒(méi)有答對(duì)，說(shuō)明學(xué)生們對(duì)題目所創(chuàng)設(shè)的情景不是很理解。
　　因此，為了使學(xué)生加深對(duì)情景的理解，有必要設(shè)計(jì)一種物理課堂教具來(lái)演示“等時(shí)圓”的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
　　二、科學(xué)原理
　　該項(xiàng)目采用四根管道，其一豎直向下，其二與豎直平面成30°夾角，其三與豎直面成45°夾角，最后一根與豎直面成60°夾角。
　　四根管道封閉在一個(gè)圓柱內(nèi)，分別是圓截面的四條弦。管內(nèi)放入小鐵珠。
　　在忽略管壁和空氣阻力的情況下，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與支持力平衡，所以合力就等于重力沿斜面下滑的分力。此分力為mgcosθ，根據(jù)牛頓第二定律F合=ma，所以mgcosθ=ma，每個(gè)鐵珠的加速度是a=gcosθ，其中θ是改軌道和垂直方向的夾角，而軌道的長(zhǎng)度是L=2Rcosθ，再根據(jù)從靜止開(kāi)始的勻加速直線運(yùn)動(dòng)位移公式Ｌ=at2，則得出t=2。因此，t與角度θ是無(wú)關(guān)的，從圓周最高點(diǎn)落到圓周其他點(diǎn)所用時(shí)間相同的。如圖2所示。
　　本裝置采用了電磁鐵吸住鐵球，可以很好的控制釋放的時(shí)間。達(dá)到“等時(shí)”的目的。
　　三、設(shè)計(jì)過(guò)程
　　該項(xiàng)目包括三個(gè)空心圓環(huán)構(gòu)成的支架，每個(gè)空心圓環(huán)安裝一根空心管，所述第一根空心管從第一個(gè)空心圓環(huán)的最高點(diǎn)沿直徑延伸到第一根空心圓環(huán)的最低點(diǎn)，所述第二根空心管從第二個(gè)空心圓環(huán)的最高點(diǎn)沿與直徑成30°的方向延伸到第二個(gè)空心圓環(huán)的圓環(huán)上，所述第三根空心管從第三個(gè)空心圓環(huán)的最高點(diǎn)沿與直徑成45°的方向延伸到第三個(gè)空心圓環(huán)的圓環(huán)上，所述三個(gè)空心圓環(huán)與三根空心管在最高點(diǎn)交匯處分別設(shè)有一個(gè)小球釋放裝置，所述小球釋放裝置中分別裝有一個(gè)小球。
　　所述小球釋放裝置為電磁鐵，所述小球?yàn)殍F球。
　　所述三個(gè)空心圓環(huán)為透明空心圓環(huán)，所述三根空心管為透明空心管。
　　采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的物理課堂教具在演示時(shí)，將三個(gè)小球分別放在三個(gè)空心圓環(huán)與三根空心管在最高點(diǎn)交匯處的小球釋放裝置中，同時(shí)打開(kāi)三個(gè)小球釋放裝置，可以看到三個(gè)小球同時(shí)流出三根空心管，從而演示出在重力條件下，從圓周最高點(diǎn)落到圓周其他點(diǎn)所用時(shí)間相同的“等時(shí)圓”原理。因此，本發(fā)明的物理課堂教具具有演示“等時(shí)圓”原理的功能，具有加深學(xué)生理解“等時(shí)圓”原理的優(yōu)點(diǎn)。
　　下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式詳細(xì)說(shuō)明，見(jiàn)圖3。
　　四、制作過(guò)程
　　在制作中我們發(fā)現(xiàn)，用多個(gè)獨(dú)立的環(huán)造成了一定的材料浪費(fèi)，并且觀察試驗(yàn)現(xiàn)象也比較困難。于是我們將多個(gè)平面放置在同一個(gè)圓柱形結(jié)構(gòu)中。在每個(gè)珠子的釋放都點(diǎn)安裝電磁鐵。電磁鐵通電時(shí)可以吸住鐵質(zhì)小球，一旦斷電小球?qū)L下去，直到碰到底部。見(jiàn)圖4、圖5。
　　裝置用透明有機(jī)玻璃制作，便于觀察。
　　圓柱形的主體結(jié)構(gòu)可以旋轉(zhuǎn)，使得各個(gè)珠子可以滾回頂端A點(diǎn)。滾回A點(diǎn)后啟動(dòng)電磁鐵可以吸住所有鐵珠。也可演示整個(gè)平面與豎直傾斜一定角度的情況下的下落情況，見(jiàn)圖6、圖7。
　　在每個(gè)管子末端加裝觸碰開(kāi)關(guān)，控制發(fā)光二極管，用發(fā)光二極管的燈光來(lái)強(qiáng)調(diào)小球已經(jīng)落到底端。在每個(gè)管子末端加裝觸碰開(kāi)關(guān)，并聯(lián)在發(fā)光二極管上，用電壓傳感器來(lái)指示小球已經(jīng)落到底端，從計(jì)算機(jī)上的U-t圖線來(lái)定量證明下落的等時(shí)性，見(jiàn)圖8。
　　五、實(shí)驗(yàn)效果和進(jìn)一步的完善
　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果相當(dāng)明顯。既可以用聽(tīng)覺(jué)聽(tīng)聲觀察，又可以用眼觀察現(xiàn)象。
　　目前裝置可演示從同一高度下落到圓上其他點(diǎn)的情況。我們正在進(jìn)一步加工，在管子的末梢也加上電磁鐵，管子的起點(diǎn)也裝上發(fā)光二極管，這樣可以翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)演示從圓上不同點(diǎn)下落到同一高度點(diǎn)的等時(shí)性。用單刀雙擲開(kāi)關(guān)分別控制上下兩部分各四個(gè)電磁鐵，當(dāng)上部斷電后下部正好通電，既可吸住小球使之不反彈，又可為圓體倒置后下一次反向的實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，電磁鐵相比重力對(duì)小球的運(yùn)動(dòng)影響極小，對(duì)其運(yùn)動(dòng)的干擾可忽略不計(jì)。ＫＪ