用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力表達(dá)式實(shí)驗(yàn)的一點(diǎn)改進(jìn)

嚴(yán)燦云

(江蘇通州高級中學(xué)，江蘇 通州 226300)

高中物理必修2(人教版)第5章第6節(jié)“向心力”一節(jié)中安排了實(shí)驗(yàn):用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式．教材上選取這個實(shí)驗(yàn)的原因,引用教參上的表述:“器材易得,很容易讓學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)”、“擺球的受力分析方法也是以后常用的,熟練掌握有利于后面的學(xué)習(xí)”．然而,教參上也提到這個實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于“不易保持?jǐn)[球的圓周運(yùn)動”,進(jìn)而給出的教學(xué)建議是“由于是估測,小球能轉(zhuǎn)一兩圈也就可以了．”

實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),小球之所以很難做圓周運(yùn)動,原因在于兩點(diǎn)．(1) 很難賦予小球合適的初速度; (2) 空氣阻力影響導(dǎo)致小球最終一定會做橢圓運(yùn)動．怎樣才能克服以上的兩個難點(diǎn),讓這個實(shí)驗(yàn)更具可執(zhí)行性？筆者在教學(xué)中嘗試進(jìn)行了一些改進(jìn)．下面先闡述一下這個實(shí)驗(yàn)的原理.

1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1,細(xì)線下面懸掛小球,細(xì)線固定在鐵架臺上．輕推小球使之在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動．受力分析如圖2,可知:小球圓周運(yùn)動所需的向心力為F=mgtanθ．

圖1

圖2

圖3

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法:水平轉(zhuǎn)臺輔助加速啟動

為了給小球合適的初速度,筆者在教學(xué)過程中嘗試了一些改進(jìn)．

2.1 關(guān)于裝置

如圖4所示,小球固定在鐵架臺上,懸于一水平轉(zhuǎn)臺的上方,組成圓錐擺．在圓錐擺下方有一水平轉(zhuǎn)臺,水平轉(zhuǎn)臺用直流12V的低速直流電機(jī)帶動．具體的做法如下:

(1) 電動機(jī)的固定．實(shí)驗(yàn)需將圖5的電機(jī)豎直固定,以保證轉(zhuǎn)軸豎直向上．具體的做法是在一塊方形的木塊的側(cè)面和上面打洞,兩個洞是連通的．電機(jī)放入上面的洞中,兩根連接線則從側(cè)面的洞中引出,如圖6．豎直洞稍大于電機(jī)直徑,既方便放入電機(jī),同時(shí)還可以用熱熔槍把熱熔膠打進(jìn)洞中,固定電機(jī)(調(diào)整轉(zhuǎn)軸至豎直方向后固定)．

圖5

圖6

(2) 水平轉(zhuǎn)臺和電機(jī)之間的連接．水平轉(zhuǎn)臺通過法蘭聯(lián)軸器(圖7)直接固定在電機(jī)軸上．轉(zhuǎn)臺上面貼了一張畫有同心圓的白紙,方便監(jiān)測小球的圓周運(yùn)動．

(3) 水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)．將電機(jī)通過滑動變阻器(全電阻為20Ω)接在學(xué)生電源的直流輸出端上,如圖8．輸出電壓為6V(不能加12V的電壓,轉(zhuǎn)速太快,遠(yuǎn)超過實(shí)驗(yàn)的需求)．緩慢的調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值,改變加在電機(jī)上的電壓,可以使電機(jī)的轉(zhuǎn)速連續(xù)變化,轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速也跟著變化．

圖7

圖8

2.2 使小球做圓錐擺運(yùn)動的主要實(shí)驗(yàn)操作

(1) 調(diào)整轉(zhuǎn)臺的位置,使懸點(diǎn)正好位于轉(zhuǎn)臺的圓心正上方(這點(diǎn)非常重要),將小球拉離圓心位置,輕放于轉(zhuǎn)臺上．

(2) 將電機(jī)、滑動變阻器串聯(lián)接在學(xué)生電源的直流輸出端．滑動變阻器置于阻值最大處．合上開關(guān),緩慢增加電機(jī)電壓,轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速逐漸增加,小球跟隨轉(zhuǎn)臺做圓周運(yùn)動,直至某一轉(zhuǎn)速時(shí),小球離開轉(zhuǎn)臺在空中作圓周運(yùn)動．在此轉(zhuǎn)速附近再緩慢的調(diào)整轉(zhuǎn)速(電機(jī)在啟動的開始階段會越轉(zhuǎn)越快),直至小球做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動．

(4) 測量高度h(h為懸點(diǎn)到轉(zhuǎn)臺的高度減去小球的半徑),懸點(diǎn)到轉(zhuǎn)臺的高度用刻度尺測量,小球的直徑用游標(biāo)卡尺測量．

(5) 利用測得數(shù)據(jù),進(jìn)行驗(yàn)證．

3 關(guān)于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考

圖9

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)突出優(yōu)點(diǎn)是小球可以獲得一個合適的做圓錐擺運(yùn)動的初速度．原理如圖9,轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速較低時(shí),小球受到轉(zhuǎn)臺的支持力和靜摩擦力以及繩子的拉力．轉(zhuǎn)速增大時(shí),支持力減小,拉力增大．當(dāng)支持力恰好減小到0時(shí),小球離開轉(zhuǎn)臺做圓周運(yùn)動．此時(shí)小球做的圓周運(yùn)動就是實(shí)驗(yàn)需要的圓錐擺．

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)還有一個優(yōu)點(diǎn)是可以適時(shí)的補(bǔ)充能量,部分抵消空氣阻力的影響．實(shí)驗(yàn)時(shí)保持轉(zhuǎn)臺在小球下方同速轉(zhuǎn)動,當(dāng)小球轉(zhuǎn)了多圈后能量損失,導(dǎo)致圓平面下降,小球會再次觸碰轉(zhuǎn)臺,轉(zhuǎn)臺會再次對小球做功,使得小球再次回到圓平面．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在周期測量準(zhǔn)確度較高的前提下,本實(shí)驗(yàn)的相對誤差可以有效控制在3%以內(nèi)．

綜上,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)有效的解決了原實(shí)驗(yàn)的兩大問題,具有更好的可執(zhí)行性和可信性．

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)也存在著缺點(diǎn),相對于原實(shí)驗(yàn)來說,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置在制作時(shí)對轉(zhuǎn)臺的水平要求很高．因?yàn)檗D(zhuǎn)臺若是不水平,小球會在轉(zhuǎn)臺較高處突然被蹭離,導(dǎo)致球啟動的速度會偏大,小球會做橢圓運(yùn)動．所以,需要花費(fèi)足夠的耐心和時(shí)間,反復(fù)調(diào)整．

由于高考的實(shí)驗(yàn)考察方式,導(dǎo)致高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)很大程度上只是為了“教實(shí)驗(yàn)”,大部分都停留在讓學(xué)生走過場的看看大概有那么回事的出發(fā)點(diǎn)上．而這,顯然跟提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)是相違背的．高中物理教學(xué)應(yīng)該要給學(xué)生創(chuàng)設(shè)出具有嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性、可執(zhí)行性的物理實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生真做實(shí)驗(yàn),做真實(shí)驗(yàn),真正地進(jìn)行具有科學(xué)特質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究．進(jìn)行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)應(yīng)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的出發(fā)點(diǎn),這樣才能真正的將提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)落在實(shí)處．