淺析物理教學(xué)中一物多用之旋轉(zhuǎn)平臺(tái)篇

江蘇省高郵第一中學(xué)(225600) 于 淼

1 旋轉(zhuǎn)秋千

實(shí)驗(yàn)器材：不銹鋼鐵球(4個(gè)相同的小球、2個(gè)相同的大球)、細(xì)線、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、微型攝像頭、熱熔槍、熱熔膠、直流可調(diào)電源。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖1所示，利用熱熔膠將相應(yīng)的小球粘貼在不同的位置，探究擺角(細(xì)線與豎直方向的夾角)與線長(zhǎng)、圓周運(yùn)動(dòng)的半徑、小球質(zhì)量的關(guān)系(不同探究過(guò)程中為了平衡需要在對(duì)稱的位置放置相同的小球)：①同一位置線長(zhǎng)相同(此時(shí)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相同)，A球質(zhì)量不同，利用圖1中的1、2兩個(gè)球，接通電源后，可以發(fā)現(xiàn)1、2兩個(gè)球的細(xì)線平行，即擺角相同；②同一位置線長(zhǎng)不同(此時(shí)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不同)，A球質(zhì)量相同，利用圖1中的3、4兩個(gè)球，接通電源后，可以發(fā)現(xiàn)3、4兩個(gè)球的細(xì)線不平行，球4擺角比較大；③不同位置線長(zhǎng)相同(此時(shí)圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相同)，A球質(zhì)量相同，利用圖1中的4、5兩個(gè)球，接通電源后，可以發(fā)現(xiàn)4、5兩個(gè)球的細(xì)線不平行，球4擺角比較大。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以將微型攝像頭固定在平臺(tái)的適當(dāng)位置再投影到電腦上來(lái)觀察小球的運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：對(duì)小球進(jìn)行受力分析，可得F向=F合=mgtanθ=mω2r，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)可得：gtanθ=ω2r，其中r是圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，有tanθ=ω2r/g。可見(jiàn)在轉(zhuǎn)速相同的情況下實(shí)驗(yàn)，擺角與圓周運(yùn)動(dòng)的半徑有關(guān)(半徑越大擺角越大)，與小球質(zhì)量和線長(zhǎng)無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)對(duì)同一個(gè)球，轉(zhuǎn)速變大，擺角也變大，擺角與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

2 脫水機(jī)

實(shí)驗(yàn)器材：大號(hào)可樂(lè)瓶、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、濕毛巾、小刀、熱熔槍、熱熔膠、直流可調(diào)電源。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖2所示，用小刀將可樂(lè)瓶截為兩部分，取可樂(lè)瓶的下部分，并在瓶身上挖出一定量的小孔，再利用熱熔膠將其固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，將濕毛巾(水不要太多)放到可樂(lè)瓶中，接通電源，使平臺(tái)以較小的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，可以發(fā)現(xiàn)沒(méi)有水從可樂(lè)瓶中漏出，增大轉(zhuǎn)速，可以看到有水漏出(用有顏色的水可以使實(shí)驗(yàn)效果更明顯)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：平臺(tái)旋轉(zhuǎn)后，毛巾和水做圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速較小時(shí)，毛巾對(duì)水的摩擦力充當(dāng)向心力，水不會(huì)漏出，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到一定時(shí)，毛巾對(duì)摩擦水的力小于水需要的向心力，水就會(huì)漏出，即水做離心運(yùn)動(dòng)，這就是洗衣機(jī)脫水的原理。

3 圓周運(yùn)動(dòng)的速度方向

實(shí)驗(yàn)器材：不同質(zhì)量的鐵球、電磁鐵、平臺(tái)(不旋轉(zhuǎn))、印泥、白紙、熱熔槍、熱熔膠、剪刀、直流可調(diào)電源。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖3所示,在平臺(tái)上固定好白紙，將電磁鐵固定在轉(zhuǎn)軸上，將鐵球沾上印泥，吸附在電磁鐵上。打開(kāi)電源電磁鐵和鐵球隨著轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，斷開(kāi)電磁鐵的電源，發(fā)現(xiàn)小球沿著圓周的切線方向飛出。換不同質(zhì)量的鐵球做實(shí)驗(yàn)，可以得到相同的結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：每一個(gè)小球都沿著切線方向飛出，說(shuō)明鐵球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度是沿著圓該點(diǎn)的切線方向。

若在上面實(shí)驗(yàn)中讓鐵球、電磁鐵和平臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)(逆時(shí)針轉(zhuǎn))，在斷開(kāi)電源時(shí)(平臺(tái)保持原來(lái)的轉(zhuǎn)速)發(fā)現(xiàn)鐵球不是沿切線方向飛出，做了2次實(shí)驗(yàn)的軌跡都是曲線，由實(shí)驗(yàn)得到的運(yùn)動(dòng)軌跡可以判定做的是離心運(yùn)動(dòng)。原因是鐵球向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，鐵球的線速度比所在位置的平臺(tái)線速度小，所以相對(duì)平臺(tái)向后運(yùn)動(dòng)。

4 離心運(yùn)動(dòng)

實(shí)驗(yàn)器材：3個(gè)材質(zhì)相同的砝碼(2個(gè)相同的小砝碼、1個(gè)大砝碼)、刻度尺、可轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)、直流可調(diào)電源。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖4所示，將3個(gè)砝碼放到平臺(tái)上，其中砝碼1質(zhì)量大，砝碼2、砝碼3質(zhì)量相同，砝碼1和砝碼2離圓心的距離相等，砝碼3離圓心的距離較大。將電動(dòng)機(jī)接入電源，接通電源，使平臺(tái)的轉(zhuǎn)速逐漸增大，發(fā)現(xiàn)砝碼3最先向外滑動(dòng)，砝碼1和砝碼2同時(shí)向外滑動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：砝碼做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由靜摩擦力提供,即有mω2r=f靜。當(dāng)靜摩擦力(可以認(rèn)為最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力)小于所需的向心力mω2r>μmg時(shí)，即ω2r>μg，就會(huì)做離心運(yùn)動(dòng)；可以看到是否做離心運(yùn)動(dòng)與半徑有關(guān)，與質(zhì)量無(wú)關(guān)。砝碼3的半徑最大，所以砝碼3最先滑動(dòng)；砝碼1和砝碼2半徑相同，所以兩個(gè)同時(shí)滑動(dòng)。

5 雙繩模型

實(shí)驗(yàn)器材：穿孔的鐵球、細(xì)繩、打孔的細(xì)桿、可轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)、直流可調(diào)電源。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖5所示，將有孔的細(xì)桿固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心，用細(xì)繩連接小球。①一根繩與孔1相連，另一根繩與孔2相連，接通電源后電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)細(xì)桿旋轉(zhuǎn)，可以發(fā)現(xiàn)上面的繩被拉直，而下面的繩彎曲，轉(zhuǎn)速增加到一定時(shí)，兩繩都被拉直，轉(zhuǎn)速再增大時(shí)，上面的繩彎曲，下面的繩被拉直；②一根繩與孔1相連，另一根繩與孔3相連，接通電源后電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)細(xì)桿旋轉(zhuǎn)，可以發(fā)現(xiàn)上面的繩被拉直，而下面的繩彎曲，逐漸增加轉(zhuǎn)速，下面的繩被逐漸拉直，轉(zhuǎn)速再增大時(shí)，兩繩都被拉直。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：①轉(zhuǎn)速比較小時(shí)，小球的向心力由上面的繩提供(上面的繩被拉直，而下面的繩彎曲)，轉(zhuǎn)速增大到一定時(shí)，兩繩同時(shí)提供向心力(兩繩都被拉直)，再增加轉(zhuǎn)速時(shí)，小球的向心力由下面的繩提供(上面的繩彎曲，下面的繩被拉直)；②轉(zhuǎn)速比較小時(shí)，小球的向心力由上面的繩提供(上面的繩被拉直，而下面的繩彎曲)，轉(zhuǎn)速增大一定后，兩繩同時(shí)提供向心力(兩繩都被拉直)。

上面利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所設(shè)計(jì)的5個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，效果都非常明顯，有利于學(xué)生對(duì)幾種圓周運(yùn)動(dòng)的理解和學(xué)習(xí)。這5個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在物理教學(xué)中一物多用，充分發(fā)揮了其器材的功效。