向心力演示仪的改进

张前军

(沭阳高级中学,江苏沭阳223600)

向心力演示仪的改进

张前军

(沭阳高级中学,江苏沭阳223600)

针对“用圆锥摆粗略验证向心力表达式”实验的不足,对向心力演示仪进行改进,保留了向心力演示仪的部分元件,增加了电动机和变阻式连续调速开关.通过改变电动机转速、圆周运动半径、钢球质量等参量验证向心力的表达式.本文还提供了两套实验方案,供不同实验条件的学校选用.

向心力;圆周运动;转速

1 引 言

“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”实验是《物理》必修2(人教版)“向心力”一节中内容,如图1所示,该实验在构思、原理、方法以及学生的可参与性等方面让人感到很完美,但在实际操作中却有以下几处不妥:a.在具体操作中很难使小球沿纸上的某个圆周运动,小球大多作椭圆运动; b.球在圆周运动时,与纸面间存在一定的距离,无法确定究竟在哪个圆周上运动,半径r的测量误差大;c.在圆锥摆中小球距离悬点的竖直高度h不好确定,h的测量误差大.虽然在该实验取名中用了“粗略”二字,但基于以上3条原因,实验结果误差较大,达不到验证效果.

图1 用圆锥摆验证向心力表达式

向心力演示仪如图2所示,该演示仪手摇转动时的转速不稳定,且只能目测转速验证向心力的表达式,误差较大.笔者对向心力演示仪进行了改进,改进后的向心力演示仪既可较好地进行向心力的验证实验,还可做向心力的体验性实验.

图2 手摇式向心力演示仪

2 向心力演示仪的改进

对向心力演示仪进行拆装,保留机座、大变速盘、长传送带、长横臂挡板.将长横臂挡板正反面对调,对照原有的定位孔固定在大变速盘上,保证钢球做圆周运动限制在长横臂档板的凹槽内,防止钢球离心运动时飞出伤人.

在长横臂挡板的旋转中心用电钻在水平方向上打穿出2个同位圆孔,2圆孔离长横臂挡板的凹槽底部距离等于实验用的钢球半径,在圆孔中穿入一长横杆,将横杆固定在长横臂挡板上,并在横杆固定后的旋转中心用钢锯锯出一个圆周凹槽,便于将系住钢球的细线限定在该凹槽内,使钢球做圆周运动的圆心位置固定.以横杆上的凹槽处为零刻度,在长横臂挡板内侧贴上刻度纸条,当摆上钢球后便可直接读出圆周运动的半径.

在小型电风扇的电动机转轴上固定一小皮带轮,将演示仪上的长传送带套在大变速盘和电动机的小皮带轮上,拉紧传送带后将电动机固定在演示仪机座的适当位置上;接上电动机的变阻式连续调速开关并固定在机座上的电动机对面一侧,方便使用调速开关.这样手摇式向心力演示仪就改进成了可调速的匀速圆周运动的向心力测量仪,如图3所示.

图3 可调速的匀速圆周运动的向心力测量仪

3 向心力教学片段的设计

3.1 验证向心力表达式

1)方案1

如图4所示,将细线系住的钢球放在长横臂挡板的凹槽内,细线绕过横杆上的凹槽后固定在力传感器挂钩上,调节力传感器的位置使挂钩下方的细线处于竖直状态.在能让长横臂挡板穿过的适当高度上固定光电门传感器.通电后调节调速开关,使钢球做匀速圆周运动.

图4 实验方案1装置

用光电门传感器测出周期T,力传感器测出细线拉力F(即向心力)和钢球重力G(方便计算质量m),从刻度纸条上读出圆周运动半径r.

比较直接测得的向心力F和用表达式Fn=计算得的向心力间的关系.

依次改变电动机转速、圆周运动半径、钢球质量进行实验,重复以上比较计算都可准确验证向心力的表达式.

2)方案2

将方案1中的力传感器换成弹簧秤、光电门传感器换成光电门数字计时器,用天平测质量,其他装置安排与方案1相同.

特别注意:测半径是在圆周运动结束后进行,将钢球拉到弹簧秤在圆周运动状态下读数时的距离才是钢球做圆周运动的半径.

其他步骤与方案1相同,在此不再赘述.

方案1中的实验测量准确,方法科学,数据处理快捷,结果一目了然,现在不少学校都配有多媒体实验室,该方案可以得到很好的应用.若是学校信息技术条件不足,也可以采用方案2进行实验,该方案取材易得,虽然弹簧秤测力误差略大,但也可以粗略验证向心力的表达式.

3.2 体验影响向心力的因素

实验状态如图5所示.

图5 体验影响向心力的因素

1)竖直拉住系钢球的细线,保持半径不变,调节电动机转速,体验Fn随ω变化而变化.

2)保持电动机转速不变,让手拉住系钢球的细线上下移动,体验Fn随r变化而变化.

3)将重钢球换成等大的轻塑料球,保持转速和半径不变,体验Fn随m变化而变化.

4 几点感悟

1)向心力装置改进中的不足

因带有凹槽的横杆位置固定,实验中的钢球大小一定,球偏大或偏小时,将不能保证球与横杆间的细线处于水平状态.另外,实验中每次圆周运动的圈数不能太多,否则竖直部分细线因一起旋转扭曲时会导致实验中的圆周运动半径变小.

2)应用信息技术创新物理实验

《课程标准》中指出:“重视将信息技术应用到物理实验……诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果等.”用信息技术改造某些已有的实验、增加原来不能做的实验,这是大势所趋.但课本上对新技术的应用大多数只介绍原理,一般不涉及具体操作,指出某些实验有应用信息技术进行改进的可能性,一线教师结合具体情况进行再创造有着广阔的空间[1].

3)创造条件丰富学生的实验体验

意识来自于体验过程,而不是来自知识[2].物理学中,概念的形成、规律的发现、理论的建立,都有赖于实验,学好物理就要做好实验.在实验教学过程中教师要积极创造实验条件,尽可能让学生参与其中,重视学习过程中的体验.

[1] 人民教育出版社课程教材研究所,物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书·物理·必修1[M].北京:人民教育出版社,2004.

[2] 黄恕伯.新课程和高考[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

[责任编辑:尹冬梅]

2010-07-05

张前军(1977-),男,江苏沭阳人,沭阳高中一级教师,学士,从事物理实验教学研究工作.