向心力定量演示儀的創(chuàng)新設(shè)計

陸英

摘 ? 要：“向心力”是高中物理教學的難點之一。傳統(tǒng)的手搖式向心力演示儀僅能進行半定量探究，難以定量地探究向心力與半徑、角速度和質(zhì)量之間的關(guān)系。筆者利用簡單的材料，設(shè)計出一種操作簡單、原理直觀、讀數(shù)方便、誤差較小的向心力定量演示儀，使學生能夠通過探究法，定量研究與向心力大小有關(guān)的物理量，加強學生對向心力公式的認知，提高教學效果。

關(guān)鍵詞：向心力;器材創(chuàng)新;探究法;定量研究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）5-0048-3

按照2018年江蘇省高中物理實驗教學的要求，高一學生應當通過分組實驗，探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系。筆者總結(jié)多年的教學經(jīng)驗，結(jié)合傳統(tǒng)向心力實驗器材，設(shè)計了新的實驗工具，以更好地提高本知識點的教學效果，強化學生對向心力的掌握。

1 ? ?實驗器材的設(shè)計

一直以來，向心力都是非常重要的知識點，同時也是教學的難點，特別是如何讓學生掌握向心力公式F=mω2r中幾個物理量之間的關(guān)系。原教材中的實驗先后用到兩種器材，分別是手搖式向心力演示儀和圓錐擺向心力演示儀，但這兩種器材均存在較大的不足。其中，手搖式向心力演示儀存在以下一些不足：實驗時不能保證物體做勻速圓周運動，實驗器材的結(jié)構(gòu)較為復雜，實驗不能精確計算力的數(shù)值，只能實現(xiàn)半定量探究。圓錐擺向心力演示儀存在以下一些不足：只能驗證向心力表達式，而不能進行探究，實驗時不能保證小球做勻速圓周運動，小球運動過程中的運動半徑變化較大，用秒表測量運動周期的測量誤差較大。

為此，筆者設(shè)計了新實驗器材進行改進。

1.1 ? ?設(shè)計理念

新實驗器材可以實現(xiàn)以下三項功能：（1）根據(jù)向心力公式F=mω2r， F、m、ω、r四個物理量能夠通過實驗裝置較為直觀地讀出，且誤差極小。（2）質(zhì)量m、角速度ω和半徑r其中兩個物理量不變的情況下，第三個物理量自由可調(diào)，特別需要強調(diào)的是，ω和r在勻速圓周運動的實驗過程中，需要能在一段時間內(nèi)保持一個穩(wěn)定的數(shù)值。（3）實驗器材的結(jié)構(gòu)較為簡單，即使是第一次接觸器材的學生，也能輕松上手。

1.2 ? ?實驗裝置及原理

實驗裝置的設(shè)計思路如圖1所示，裝置由電動機、托盤、帶刻度的透明凹槽、定滑輪、小球、鉤碼、電子天平和細繩組成。當接通電源、啟動開關(guān)后，電動機開始帶動托盤和凹槽做勻速轉(zhuǎn)動，隨即小球開始在凹槽內(nèi)做勻速圓周運動，并對繩子產(chǎn)生拉力，經(jīng)過三個定滑輪改變力的方向，對右側(cè)的鉤碼產(chǎn)生向上的拉力，引起電子天平讀數(shù)的變化。

F=mω2r公式中的四個物理量通過以下方式獲?。盒∏蛟陟o止時，電子天平顯示鉤碼的質(zhì)量，小球做勻速圓周運動時，電子天平讀數(shù)發(fā)生變化，通過電子天平顯示的數(shù)值差Δm，可計算拉力即向心力的大小F=Δmg;小球質(zhì)量m通過電子天平測量;小球轉(zhuǎn)動的角速度ω，可通過轉(zhuǎn)速儀讀取;勻速圓周運動的半徑r，可通過凹槽上的刻度讀取。

1.3 ? ?注意事項

因細繩存在形變問題，故電動機要能雙向轉(zhuǎn)動，以釋放形變;托盤上的定滑輪需固定在凹槽上，小球在做勻速圓周運動時，半徑保持在一個穩(wěn)定的數(shù)值;調(diào)整半徑大小，可通過在鉤碼上方的細繩上打結(jié)來實現(xiàn);需多準備幾個質(zhì)量不同的小球，調(diào)整m的數(shù)值;電動機能夠?qū)崿F(xiàn)無極變速，調(diào)整ω的大小，并準備一個轉(zhuǎn)速計讀取ω的數(shù)值。

1.4 ? ?實驗器材的實物圖（如圖2所示）

2 ? ?實驗方法及數(shù)據(jù)展示

通過控制變量法，進行實驗探究，觀察F與其余三個物理量m、ω、r的關(guān)系。并通過Excel進行繪圖展示。

保證質(zhì)量m和角速度ω不變，改變半徑r，進行多組實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1，將向心力F和半徑r的數(shù)值錄入電腦，形成F-r圖，如圖3。

保證半徑r和角速度ω不變，改變小球質(zhì)量，進行多組實驗，實驗數(shù)據(jù)如表2，將向心力F和質(zhì)量m的數(shù)值錄入電腦，形成F-m圖，如圖4。

保證半徑r和質(zhì)量m不變，改變角速度ω，進行多組實驗，實驗數(shù)據(jù)如表3。在數(shù)據(jù)處理時，可以同時將角速度ω、角速度的平方ω2分別與F進行對比，形成F-ω圖和F-ω2圖，如圖5、圖6，讓學生更好地理解：F與ω2是線性關(guān)系，F(xiàn)與ω是非線性關(guān)系。

3 ? ?評價與說明

3.1 ? 優(yōu)點

（1）新實驗器材使操作者能夠非常直觀地測量向心力公式中所有的物理量，且測量誤差非常小。

（2）符合新的高中物理實驗教學要求，使學生能夠通過分組實驗，探究向心力F的大小與半徑r、角速度ω、質(zhì)量m的關(guān)系。一方面加強了學生對知識點的理解和掌握，另一方面培養(yǎng)了學生的動手能力和處理實驗數(shù)據(jù)的能力，進而提升學生對物理的學習興趣。

3.2 ? ?需要改進的方面

（1）目前已制作的實驗器材采用干電池供電，耗電較多，一定程度上增加了實驗成本，建議改用USB供電。

（2）實驗中的細繩仍然存在微小形變，細繩與定滑輪之間存在極小的摩擦，對實驗結(jié)果產(chǎn)生一些影響，今后將進一步探索和改進。

參考文獻：

[1]毛銀芹，李欣庭，張洋，馮潔. 一種向心力演示儀的設(shè)計與制作[J].湖南中學物理，2018（9）：67-68.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）