向心力演示儀的改進(jìn)

張前軍

(沭陽(yáng)高級(jí)中學(xué),江蘇沭陽(yáng)223600)

向心力演示儀的改進(jìn)

張前軍

(沭陽(yáng)高級(jí)中學(xué),江蘇沭陽(yáng)223600)

針對(duì)“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力表達(dá)式”實(shí)驗(yàn)的不足,對(duì)向心力演示儀進(jìn)行改進(jìn),保留了向心力演示儀的部分元件,增加了電動(dòng)機(jī)和變阻式連續(xù)調(diào)速開(kāi)關(guān).通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、圓周運(yùn)動(dòng)半徑、鋼球質(zhì)量等參量驗(yàn)證向心力的表達(dá)式.本文還提供了兩套實(shí)驗(yàn)方案,供不同實(shí)驗(yàn)條件的學(xué)校選用.

向心力;圓周運(yùn)動(dòng);轉(zhuǎn)速

1 引 言

“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)在構(gòu)思、原理、方法以及學(xué)生的可參與性等方面讓人感到很完美,但在實(shí)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(gè)圓周運(yùn)動(dòng),小球大多作橢圓運(yùn)動(dòng); b.球在圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),與紙面間存在一定的距離,無(wú)法確定究竟在哪個(gè)圓周上運(yùn)動(dòng),半徑r的測(cè)量誤差大;c.在圓錐擺中小球距離懸點(diǎn)的豎直高度h不好確定,h的測(cè)量誤差大.雖然在該實(shí)驗(yàn)取名中用了“粗略”二字,但基于以上3條原因,實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大,達(dá)不到驗(yàn)證效果.

圖1 用圓錐擺驗(yàn)證向心力表達(dá)式

向心力演示儀如圖2所示,該演示儀手搖轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,且只能目測(cè)轉(zhuǎn)速驗(yàn)證向心力的表達(dá)式,誤差較大.筆者對(duì)向心力演示儀進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后的向心力演示儀既可較好地進(jìn)行向心力的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),還可做向心力的體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn).

圖2 手搖式向心力演示儀

2 向心力演示儀的改進(jìn)

對(duì)向心力演示儀進(jìn)行拆裝,保留機(jī)座、大變速盤(pán)、長(zhǎng)傳送帶、長(zhǎng)橫臂擋板.將長(zhǎng)橫臂擋板正反面對(duì)調(diào),對(duì)照原有的定位孔固定在大變速盤(pán)上,保證鋼球做圓周運(yùn)動(dòng)限制在長(zhǎng)橫臂檔板的凹槽內(nèi),防止鋼球離心運(yùn)動(dòng)時(shí)飛出傷人.

在長(zhǎng)橫臂擋板的旋轉(zhuǎn)中心用電鉆在水平方向上打穿出2個(gè)同位圓孔,2圓孔離長(zhǎng)橫臂擋板的凹槽底部距離等于實(shí)驗(yàn)用的鋼球半徑,在圓孔中穿入一長(zhǎng)橫桿,將橫桿固定在長(zhǎng)橫臂擋板上,并在橫桿固定后的旋轉(zhuǎn)中心用鋼鋸鋸出一個(gè)圓周凹槽,便于將系住鋼球的細(xì)線(xiàn)限定在該凹槽內(nèi),使鋼球做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心位置固定.以橫桿上的凹槽處為零刻度,在長(zhǎng)橫臂擋板內(nèi)側(cè)貼上刻度紙條,當(dāng)擺上鋼球后便可直接讀出圓周運(yùn)動(dòng)的半徑.

在小型電風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定一小皮帶輪,將演示儀上的長(zhǎng)傳送帶套在大變速盤(pán)和電動(dòng)機(jī)的小皮帶輪上,拉緊傳送帶后將電動(dòng)機(jī)固定在演示儀機(jī)座的適當(dāng)位置上;接上電動(dòng)機(jī)的變阻式連續(xù)調(diào)速開(kāi)關(guān)并固定在機(jī)座上的電動(dòng)機(jī)對(duì)面一側(cè),方便使用調(diào)速開(kāi)關(guān).這樣手搖式向心力演示儀就改進(jìn)成了可調(diào)速的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力測(cè)量?jī)x,如圖3所示.

圖3 可調(diào)速的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力測(cè)量?jī)x

3 向心力教學(xué)片段的設(shè)計(jì)

3.1 驗(yàn)證向心力表達(dá)式

1)方案1

如圖4所示,將細(xì)線(xiàn)系住的鋼球放在長(zhǎng)橫臂擋板的凹槽內(nèi),細(xì)線(xiàn)繞過(guò)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(xì)線(xiàn)處于豎直狀態(tài).在能讓長(zhǎng)橫臂擋板穿過(guò)的適當(dāng)高度上固定光電門(mén)傳感器.通電后調(diào)節(jié)調(diào)速開(kāi)關(guān),使鋼球做勻速圓周運(yùn)動(dòng).

圖4 實(shí)驗(yàn)方案1裝置

用光電門(mén)傳感器測(cè)出周期T,力傳感器測(cè)出細(xì)線(xiàn)拉力F(即向心力)和鋼球重力G(方便計(jì)算質(zhì)量m),從刻度紙條上讀出圓周運(yùn)動(dòng)半徑r.

比較直接測(cè)得的向心力F和用表達(dá)式Fn=計(jì)算得的向心力間的關(guān)系.

依次改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、圓周運(yùn)動(dòng)半徑、鋼球質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn),重復(fù)以上比較計(jì)算都可準(zhǔn)確驗(yàn)證向心力的表達(dá)式.

2)方案2

將方案1中的力傳感器換成彈簧秤、光電門(mén)傳感器換成光電門(mén)數(shù)字計(jì)時(shí)器,用天平測(cè)質(zhì)量,其他裝置安排與方案1相同.

特別注意:測(cè)半徑是在圓周運(yùn)動(dòng)結(jié)束后進(jìn)行,將鋼球拉到彈簧秤在圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下讀數(shù)時(shí)的距離才是鋼球做圓周運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)測(cè)量準(zhǔn)確,方法科學(xué),數(shù)據(jù)處理快捷,結(jié)果一目了然,現(xiàn)在不少學(xué)校都配有多媒體實(shí)驗(yàn)室,該方案可以得到很好的應(yīng)用.若是學(xué)校信息技術(shù)條件不足,也可以采用方案2進(jìn)行實(shí)驗(yàn),該方案取材易得,雖然彈簧秤測(cè)力誤差略大,但也可以粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式.

3.2 體驗(yàn)影響向心力的因素

實(shí)驗(yàn)狀態(tài)如圖5所示.

圖5 體驗(yàn)影響向心力的因素

1)豎直拉住系鋼球的細(xì)線(xiàn),保持半徑不變,調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,體驗(yàn)Fn隨ω變化而變化.

2)保持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變,讓手拉住系鋼球的細(xì)線(xiàn)上下移動(dòng),體驗(yàn)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(zhuǎn)速和半徑不變,體驗(yàn)Fn隨m變化而變化.

4 幾點(diǎn)感悟

1)向心力裝置改進(jìn)中的不足

因帶有凹槽的橫桿位置固定,實(shí)驗(yàn)中的鋼球大小一定,球偏大或偏小時(shí),將不能保證球與橫桿間的細(xì)線(xiàn)處于水平狀態(tài).另外,實(shí)驗(yàn)中每次圓周運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)不能太多,否則豎直部分細(xì)線(xiàn)因一起旋轉(zhuǎn)扭曲時(shí)會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中的圓周運(yùn)動(dòng)半徑變小.

2)應(yīng)用信息技術(shù)創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出:“重視將信息技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)……諸如通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等.”用信息技術(shù)改造某些已有的實(shí)驗(yàn)、增加原來(lái)不能做的實(shí)驗(yàn),這是大勢(shì)所趨.但課本上對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用大多數(shù)只介紹原理,一般不涉及具體操作,指出某些實(shí)驗(yàn)有應(yīng)用信息技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的可能性,一線(xiàn)教師結(jié)合具體情況進(jìn)行再創(chuàng)造有著廣闊的空間[1].

3)創(chuàng)造條件豐富學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)

意識(shí)來(lái)自于體驗(yàn)過(guò)程,而不是來(lái)自知識(shí)[2].物理學(xué)中,概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立,都有賴(lài)于實(shí)驗(yàn),學(xué)好物理就要做好實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中教師要積極創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件,盡可能讓學(xué)生參與其中,重視學(xué)習(xí)過(guò)程中的體驗(yàn).

[1] 人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·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(zé)任編輯:尹冬梅]

2010-07-05

張前軍(1977-),男,江蘇沭陽(yáng)人,沭陽(yáng)高中一級(jí)教師,學(xué)士,從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究工作.