向心力大小實驗的設計

江小東

(新余市第四中學 江西 新余 338000)

向心力大小演示實驗是高中物理教學中一個很重要的演示實驗.在人教版物理教材中，采用圓錐擺粗略驗證向心力表達式，該實驗是利用鐵架臺、小球、細線、秒表、天平、刻度尺等器材完成的.實驗時，小球在水平面內做勻速圓周運動，用刻度尺測量出小球做圓周運動的半徑r和小球距懸點的豎直高度h，利用天平、秒表分別測量出小球的質量m和運動n圈的時間t，得出指向圓心的合力為

小球做圓周運動的向心力為

通過比較F合與Fn的大小來驗證向心力大小的表達式.

在教學實踐中，筆者發現上述實驗存在如下問題.

(1)作為一個驗證性的課堂演示實驗，在操作上要使小球做勻速圓周運動困難很大，從而影響半徑r及時間t內運動的圈數n的測量.

(2)本實驗是一個驗證性實驗，缺乏探究的過程，不利于培養學生的科學素質.

針對以上情況，筆者對該實驗的裝置作了改進，不但結果精確、直觀，而且操作方便.實驗設計如下.

1 實驗原理

本實驗演示儀是研究重物繞中心軸轉動.利用力傳感器測量重物做圓周運動的向心力，利用天平、刻度尺、光電傳感器分別測量重物的質量m，做圓周運動的半徑r及角速度ω.實驗過程中，只要能得出向心力Fn與質量m成正比，與半徑r成正比，與角速度的平方ω2成正比，就可以通過實驗得到向心力的表達式.

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，其結構說明如下.

圖1

(1)利用減速電動機，使皮帶帶動轉軸轉動.減速電動機與直流電源相連，直流電壓在2～4 V.

(2)可讀取長度的水平直軌道兩側分別用細桿與重物和配重相連，利用等臂杠桿將重物所受拉力轉化為細桿對力傳感器的拉力.

(3)力傳感器與DIS數據分析系統相連，可直接顯示力的大小.

(4)光電傳感器與DIS數據分析系統相連，可直接顯示擋光條擋光的時間，由擋光條的寬度和擋光條做圓周運動的半徑，可得到重物做圓周運動的角速度.

3 實驗過程及數據處理

(1)在保證重物的質量m和做圓周運動的角速度ω不變的情況下，改變重物做圓周運動的半徑r，得到幾組力F與半徑r的數據，記錄到表1中.

表1 力F與半徑r的測量數據

將實驗數據導入到向心力實驗數據分析圖像中，形成圖2.

圖2

(2)在保證重物做圓周運動的半徑r和角速度ω不變的情況下，改變重物的質量m，得到幾組力F與質量m的數據，記錄到表2中.

表2 力F與質量m的測量數據

將實驗數據導入到向心力實驗數據分析圖像中，形成圖3.

圖3

(3)在保證重物的質量m和做圓周運動的半徑r不變的情況下，改變重物的角速度ω，得到幾組力F和角速度ω的數據，記錄到表3中.

表3 力F與角速度ω的測量數據

將實驗數據導入到向心力實驗數據分析圖像中，形成圖4.

圖4

由于F-ω圖像(圖4)不是一條直線，擬合成F-ω2圖像(圖5)，該圖像為一條直線.

圖5

由以上實驗過程，可得到F∝r,F∝m,F∝ω2，從而,引導學生通過實驗探究得到向心力表達式.

4 實驗中應注意的問題

(1)安裝實驗裝置時,應保證直軌道處于水平狀態，從而有利于轉動時處于穩定狀態.

(2)實驗時重物質量應大一些，以減少阻力對實驗的影響.

(3)在保證實驗能順利進行的情況下，轉動角速度應盡量大一些，以減小實驗誤差.

(4)實驗過程中，每進行完一次實驗，應斷開電源，以延長減速電動機的工作壽命.