向心力大小實驗的設(shè)計

江小東

(新余市第四中學(xué) 江西 新余 338000)

向心力大小演示實驗是高中物理教學(xué)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(dá)式，該實驗是利用鐵架臺、小球、細(xì)線、秒表、天平、刻度尺等器材完成的.實驗時，小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，用刻度尺測量出小球做圓周運(yùn)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(zhì)量m和運(yùn)動n圈的時間t，得出指向圓心的合力為

小球做圓周運(yùn)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(dá)式.

在教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)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(yùn)動困難很大，從而影響半徑r及時間t內(nèi)運(yùn)動的圈數(shù)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(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì).

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

1 實驗原理

本實驗演示儀是研究重物繞中心軸轉(zhuǎn)動.利用力傳感器測量重物做圓周運(yùn)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(zhì)量m，做圓周運(yùn)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(zhì)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(dá)式.

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，其結(jié)構(gòu)說明如下.

圖1

(1)利用減速電動機(jī)，使皮帶帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動.減速電動機(jī)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(cè)分別用細(xì)桿與重物和配重相連，利用等臂杠桿將重物所受拉力轉(zhuǎn)化為細(xì)桿對力傳感器的拉力.

(3)力傳感器與DIS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)相連，可直接顯示力的大小.

(4)光電傳感器與DIS數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)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(yùn)動的半徑，可得到重物做圓周運(yùn)動的角速度.

3 實驗過程及數(shù)據(jù)處理

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

表1 力F與半徑r的測量數(shù)據(jù)

將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入到向心力實驗數(shù)據(jù)分析圖像中，形成圖2.

圖2

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

表2 力F與質(zhì)量m的測量數(shù)據(jù)

將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入到向心力實驗數(shù)據(jù)分析圖像中，形成圖3.

圖3

(3)在保證重物的質(zhì)量m和做圓周運(yùn)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(shù)據(jù)，記錄到表3中.

表3 力F與角速度ω的測量數(shù)據(jù)

將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入到向心力實驗數(shù)據(jù)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(dǎo)學(xué)生通過實驗探究得到向心力表達(dá)式.

4 實驗中應(yīng)注意的問題

(1)安裝實驗裝置時,應(yīng)保證直軌道處于水平狀態(tài)，從而有利于轉(zhuǎn)動時處于穩(wěn)定狀態(tài).

(2)實驗時重物質(zhì)量應(yīng)大一些，以減少阻力對實驗的影響.

(3)在保證實驗?zāi)茼樌M(jìn)行的情況下，轉(zhuǎn)動角速度應(yīng)盡量大一些，以減小實驗誤差.

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