向心力演示儀的改進

張前軍

(沭陽高級中學,江蘇沭陽223600)

向心力演示儀的改進

張前軍

(沭陽高級中學,江蘇沭陽223600)

針對“用圓錐擺粗略驗證向心力表達式”實驗的不足,對向心力演示儀進行改進,保留了向心力演示儀的部分元件,增加了電動機和變阻式連續(xù)調(diào)速開關.通過改變電動機轉速、圓周運動半徑、鋼球質(zhì)量等參量驗證向心力的表達式.本文還提供了兩套實驗方案,供不同實驗條件的學校選用.

向心力;圓周運動;轉速

1 引 言

“用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式”實驗是《物理》必修2(人教版)“向心力”一節(jié)中內(nèi)容,如圖1所示,該實驗在構思、原理、方法以及學生的可參與性等方面讓人感到很完美,但在實際操作中卻有以下幾處不妥:a.在具體操作中很難使小球沿紙上的某個圓周運動,小球大多作橢圓運動; b.球在圓周運動時,與紙面間存在一定的距離,無法確定究竟在哪個圓周上運動,半徑r的測量誤差大;c.在圓錐擺中小球距離懸點的豎直高度h不好確定,h的測量誤差大.雖然在該實驗取名中用了“粗略”二字,但基于以上3條原因,實驗結果誤差較大,達不到驗證效果.

圖1 用圓錐擺驗證向心力表達式

向心力演示儀如圖2所示,該演示儀手搖轉動時的轉速不穩(wěn)定,且只能目測轉速驗證向心力的表達式,誤差較大.筆者對向心力演示儀進行了改進,改進后的向心力演示儀既可較好地進行向心力的驗證實驗,還可做向心力的體驗性實驗.

圖2 手搖式向心力演示儀

2 向心力演示儀的改進

對向心力演示儀進行拆裝,保留機座、大變速盤、長傳送帶、長橫臂擋板.將長橫臂擋板正反面對調(diào),對照原有的定位孔固定在大變速盤上,保證鋼球做圓周運動限制在長橫臂檔板的凹槽內(nèi),防止鋼球離心運動時飛出傷人.

在長橫臂擋板的旋轉中心用電鉆在水平方向上打穿出2個同位圓孔,2圓孔離長橫臂擋板的凹槽底部距離等于實驗用的鋼球半徑,在圓孔中穿入一長橫桿,將橫桿固定在長橫臂擋板上,并在橫桿固定后的旋轉中心用鋼鋸鋸出一個圓周凹槽,便于將系住鋼球的細線限定在該凹槽內(nèi),使鋼球做圓周運動的圓心位置固定.以橫桿上的凹槽處為零刻度,在長橫臂擋板內(nèi)側貼上刻度紙條,當擺上鋼球后便可直接讀出圓周運動的半徑.

在小型電風扇的電動機轉軸上固定一小皮帶輪,將演示儀上的長傳送帶套在大變速盤和電動機的小皮帶輪上,拉緊傳送帶后將電動機固定在演示儀機座的適當位置上;接上電動機的變阻式連續(xù)調(diào)速開關并固定在機座上的電動機對面一側,方便使用調(diào)速開關.這樣手搖式向心力演示儀就改進成了可調(diào)速的勻速圓周運動的向心力測量儀,如圖3所示.

圖3 可調(diào)速的勻速圓周運動的向心力測量儀

3 向心力教學片段的設計

3.1 驗證向心力表達式

1)方案1

如圖4所示,將細線系住的鋼球放在長橫臂擋板的凹槽內(nèi),細線繞過橫桿上的凹槽后固定在力傳感器掛鉤上,調(diào)節(jié)力傳感器的位置使掛鉤下方的細線處于豎直狀態(tài).在能讓長橫臂擋板穿過的適當高度上固定光電門傳感器.通電后調(diào)節(jié)調(diào)速開關,使鋼球做勻速圓周運動.

圖4 實驗方案1裝置

用光電門傳感器測出周期T,力傳感器測出細線拉力F(即向心力)和鋼球重力G(方便計算質(zhì)量m),從刻度紙條上讀出圓周運動半徑r.

比較直接測得的向心力F和用表達式Fn=計算得的向心力間的關系.

依次改變電動機轉速、圓周運動半徑、鋼球質(zhì)量進行實驗,重復以上比較計算都可準確驗證向心力的表達式.

2)方案2

將方案1中的力傳感器換成彈簧秤、光電門傳感器換成光電門數(shù)字計時器,用天平測質(zhì)量,其他裝置安排與方案1相同.

特別注意:測半徑是在圓周運動結束后進行,將鋼球拉到彈簧秤在圓周運動狀態(tài)下讀數(shù)時的距離才是鋼球做圓周運動的半徑.

其他步驟與方案1相同,在此不再贅述.

方案1中的實驗測量準確,方法科學,數(shù)據(jù)處理快捷,結果一目了然,現(xiàn)在不少學校都配有多媒體實驗室,該方案可以得到很好的應用.若是學校信息技術條件不足,也可以采用方案2進行實驗,該方案取材易得,雖然彈簧秤測力誤差略大,但也可以粗略驗證向心力的表達式.

3.2 體驗影響向心力的因素

實驗狀態(tài)如圖5所示.

圖5 體驗影響向心力的因素

1)豎直拉住系鋼球的細線,保持半徑不變,調(diào)節(jié)電動機轉速,體驗Fn隨ω變化而變化.

2)保持電動機轉速不變,讓手拉住系鋼球的細線上下移動,體驗Fn隨r變化而變化.

3)將重鋼球換成等大的輕塑料球,保持轉速和半徑不變,體驗Fn隨m變化而變化.

4 幾點感悟

1)向心力裝置改進中的不足

因帶有凹槽的橫桿位置固定,實驗中的鋼球大小一定,球偏大或偏小時,將不能保證球與橫桿間的細線處于水平狀態(tài).另外,實驗中每次圓周運動的圈數(shù)不能太多,否則豎直部分細線因一起旋轉扭曲時會導致實驗中的圓周運動半徑變小.

2)應用信息技術創(chuàng)新物理實驗

《課程標準》中指出:“重視將信息技術應用到物理實驗……諸如通過計算機實時測量、處理實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結果等.”用信息技術改造某些已有的實驗、增加原來不能做的實驗,這是大勢所趨.但課本上對新技術的應用大多數(shù)只介紹原理,一般不涉及具體操作,指出某些實驗有應用信息技術進行改進的可能性,一線教師結合具體情況進行再創(chuàng)造有著廣闊的空間[1].

3)創(chuàng)造條件豐富學生的實驗體驗

意識來自于體驗過程,而不是來自知識[2].物理學中,概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立,都有賴于實驗,學好物理就要做好實驗.在實驗教學過程中教師要積極創(chuàng)造實驗條件,盡可能讓學生參與其中,重視學習過程中的體驗.

[1] 人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書·物理·必修1[M].北京:人民教育出版社,2004.

[2] 黃恕伯.新課程和高考[DB/OL].http://www. doc88.com/p-73147877265.html.2009-12-23.

Improving the demonstration device of centripetal force

ZHANG Qian-jun
(Shuyang High Middle School,Shuyang 223600,China)

Aiming at the shortcomings in the experiment of validating the formula for centripetal force using conic pendulum,the demonstration device of centripetal force is improved by adding a motor and a switch which could adjust speed with rheostat.By changing the parameters,such as the velocity of rotation of motor,the radius of circling motion,the mass of the steel ball,the formula for centripetal force is well validated.This paper also gives two alternative experiment schemes for schools of different experimental condition.

centripetal force;circular motion;velocity of rotation

G633.7

B

1005-4642(2010)12-0018-03

[責任編輯:尹冬梅]

2010-07-05

張前軍(1977-),男,江蘇沭陽人,沭陽高中一級教師,學士,從事物理實驗教學研究工作.