有效开发课本实验资源

张为宏+张飞翔

一、前言

人教版高中《物理》必修二的第五章第七节“向心力”中，安排了“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”的实验（见教材第20页，图5.7-1）. 该实验在操作过程中会遇到下列三个问题：（1）实验中很难保证小球做稳定的圆周运动.（2）由于受到空气阻力作用，小球转动半径减小很快，摆角很难测量.（3）小球转动周期测量也是本实验的难点.所以课本上的实验只能定性地演示一下，如能把它开发成可以定量研究的学生实验，就可加深学生对向心力概念和来源的感性认识和领悟.

二、实验的再开发

针对以上问题，受到公园里“飞椅”的启发，如图1，笔者对书中的实验进行了再开发.

1. 实验器材

6VDC（2400）CCW的直流电动机、细竹棒（烧烤用）、细线、小物体（1g砝码）、铁架台（带铁夹）、1m长刻度尺、细棉线、牙签（或细铁丝）、滑动变阻器、导线、胶水.

2. 实验步骤

（1）用胶水把细竹棒中心固定在电动机的转轴上，如图2所示.

（2）按图3把直流电动机固定在铁架台上的合适高度，为降低电动机的转速，用导线把电动机接入如图4的分压电路中.

（3）把一端系有小物体（砝码）的细棉线系牢在细竹棒的一端，合上开关，电动机带动物体做匀速圆周运动，调节滑动变阻器，使转速在人眼可分辨范围为宜，测出系线处到转轴距离.

（4）物体转动半径的测量，可采用双侧无限逼近法，如图5. 当物体稳定转动后，调节水平刻度尺的高度，使它尽量靠近转动平面，注意不要碰到转动物体，拿一根牙签（或细铁丝）紧贴在尺面，反复调整牙签位置，直到转动物体经过尺面时，牙签正指向物体正下方，读出此时刻度尺的读数，同样的方法找出另一侧物体经过尺面的位置读数，两次读数之差就是物体做匀速圆周运动的半径r.

（5）物体转动周期的测量。由于采用了上述的分压电路控制电动机两端的电压，可以比较方便地调节物体转动的转速，为了使周期尽量测得准确，尽可能使物体转动得慢一点，可用常规的秒表测量，考虑到人计数时的反应时间，尽可能测出20圈以上的转动时间，求平均值得到物体转动周期.

三、实验原理数据处理与结论

1. 实验原理

此实验中物体做匀速圆周运动向心力实际为物体所受合力提供，如图6，有： F合=mgtanθ，物体做匀速圆周运动向心力理论值： F向=m =mω2r=

m（ ）2r. F合=F向？圯tanθ= g ∝ .

可以通过多次改变加在直流电动机两端的电压，调节电动机的转速，得到多组物体做圆周运动的周期、半径、摆角数值，作出tanθ∽ 图线.

本实验设计不需要测量物体做圆周运动的高度，只需要测出细线摆的长度l 和做圆周运动的半径r，系线处到转轴的距离x，从而间接地求出摆角θ .如图3，有：sinθ= ，θ=arcsin（ ）.

2. 实验数据处理与结论

（1）实验数据记录 .

（2）用Excel对数据进行处理，画出tanθ∽ 图线.

（3）结论：从图线可以看出：tanθ∝ ，证明向心力的理论值与实际值吻合，从而就验证了向心力的表达式： F向=m =mω2r.

四、后记

（1）这本是书本上的一个小实验，我们在教学时多数情况都是一带而过，甚至不去注意它. 但假如好好加以研究开发，就可设计出一个操作性强的学生分组定量研究实验，可以让学生更直观地去理解所学知识.

（2）本实验的模型其实就是很多学生在公园玩过的“飞椅”，把生活中出现的一些鲜活的事例引入课堂，用科学的方法去研究它，培养学生热爱生活、崇尚科学探究的态度.

（3）本实验在改变电动机转速时用到了分压电路，这种电路对高一学生而言还比较陌生，可以引起学生对滑动变阻器新用法的好奇，为以后的学习打下了伏笔，并且充分体现出学以致用，让学生体会运用知识解决实际问题的乐趣.

（4）本实验全部使用的是实验室现有器材，并不像我们传统的实验观念——每个学生实验都设计好了专用器材，这种理念是我们在推进新课改中所需要提倡的. 为了达到我们的教学目的，把原有实验器材进行再组装开发出其他新的功能.而DIS的引入更是可以辅助我们去测一些传统器材无法测量的物理量，比如在这个实验中测周期可以转化为测转速，只要引入光电门传感器，在细竹竿的一端连上轻质挡光板，就可以测出不同电压下电动机的转速.endprint

一、前言

人教版高中《物理》必修二的第五章第七节“向心力”中，安排了“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”的实验（见教材第20页，图5.7-1）. 该实验在操作过程中会遇到下列三个问题：（1）实验中很难保证小球做稳定的圆周运动.（2）由于受到空气阻力作用，小球转动半径减小很快，摆角很难测量.（3）小球转动周期测量也是本实验的难点.所以课本上的实验只能定性地演示一下，如能把它开发成可以定量研究的学生实验，就可加深学生对向心力概念和来源的感性认识和领悟.

二、实验的再开发

针对以上问题，受到公园里“飞椅”的启发，如图1，笔者对书中的实验进行了再开发.

1. 实验器材

6VDC（2400）CCW的直流电动机、细竹棒（烧烤用）、细线、小物体（1g砝码）、铁架台（带铁夹）、1m长刻度尺、细棉线、牙签（或细铁丝）、滑动变阻器、导线、胶水.

2. 实验步骤

（1）用胶水把细竹棒中心固定在电动机的转轴上，如图2所示.

（2）按图3把直流电动机固定在铁架台上的合适高度，为降低电动机的转速，用导线把电动机接入如图4的分压电路中.

（3）把一端系有小物体（砝码）的细棉线系牢在细竹棒的一端，合上开关，电动机带动物体做匀速圆周运动，调节滑动变阻器，使转速在人眼可分辨范围为宜，测出系线处到转轴距离.

（4）物体转动半径的测量，可采用双侧无限逼近法，如图5. 当物体稳定转动后，调节水平刻度尺的高度，使它尽量靠近转动平面，注意不要碰到转动物体，拿一根牙签（或细铁丝）紧贴在尺面，反复调整牙签位置，直到转动物体经过尺面时，牙签正指向物体正下方，读出此时刻度尺的读数，同样的方法找出另一侧物体经过尺面的位置读数，两次读数之差就是物体做匀速圆周运动的半径r.

（5）物体转动周期的测量。由于采用了上述的分压电路控制电动机两端的电压，可以比较方便地调节物体转动的转速，为了使周期尽量测得准确，尽可能使物体转动得慢一点，可用常规的秒表测量，考虑到人计数时的反应时间，尽可能测出20圈以上的转动时间，求平均值得到物体转动周期.

三、实验原理数据处理与结论

1. 实验原理

此实验中物体做匀速圆周运动向心力实际为物体所受合力提供，如图6，有： F合=mgtanθ，物体做匀速圆周运动向心力理论值： F向=m =mω2r=

m（ ）2r. F合=F向？圯tanθ= g ∝ .

可以通过多次改变加在直流电动机两端的电压，调节电动机的转速，得到多组物体做圆周运动的周期、半径、摆角数值，作出tanθ∽ 图线.

本实验设计不需要测量物体做圆周运动的高度，只需要测出细线摆的长度l 和做圆周运动的半径r，系线处到转轴的距离x，从而间接地求出摆角θ .如图3，有：sinθ= ，θ=arcsin（ ）.

2. 实验数据处理与结论

（1）实验数据记录 .

（2）用Excel对数据进行处理，画出tanθ∽ 图线.

（3）结论：从图线可以看出：tanθ∝ ，证明向心力的理论值与实际值吻合，从而就验证了向心力的表达式： F向=m =mω2r.

四、后记

（1）这本是书本上的一个小实验，我们在教学时多数情况都是一带而过，甚至不去注意它. 但假如好好加以研究开发，就可设计出一个操作性强的学生分组定量研究实验，可以让学生更直观地去理解所学知识.

（2）本实验的模型其实就是很多学生在公园玩过的“飞椅”，把生活中出现的一些鲜活的事例引入课堂，用科学的方法去研究它，培养学生热爱生活、崇尚科学探究的态度.

（3）本实验在改变电动机转速时用到了分压电路，这种电路对高一学生而言还比较陌生，可以引起学生对滑动变阻器新用法的好奇，为以后的学习打下了伏笔，并且充分体现出学以致用，让学生体会运用知识解决实际问题的乐趣.

（4）本实验全部使用的是实验室现有器材，并不像我们传统的实验观念——每个学生实验都设计好了专用器材，这种理念是我们在推进新课改中所需要提倡的. 为了达到我们的教学目的，把原有实验器材进行再组装开发出其他新的功能.而DIS的引入更是可以辅助我们去测一些传统器材无法测量的物理量，比如在这个实验中测周期可以转化为测转速，只要引入光电门传感器，在细竹竿的一端连上轻质挡光板，就可以测出不同电压下电动机的转速.endprint

一、前言

人教版高中《物理》必修二的第五章第七节“向心力”中，安排了“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”的实验（见教材第20页，图5.7-1）. 该实验在操作过程中会遇到下列三个问题：（1）实验中很难保证小球做稳定的圆周运动.（2）由于受到空气阻力作用，小球转动半径减小很快，摆角很难测量.（3）小球转动周期测量也是本实验的难点.所以课本上的实验只能定性地演示一下，如能把它开发成可以定量研究的学生实验，就可加深学生对向心力概念和来源的感性认识和领悟.

二、实验的再开发

针对以上问题，受到公园里“飞椅”的启发，如图1，笔者对书中的实验进行了再开发.

1. 实验器材

6VDC（2400）CCW的直流电动机、细竹棒（烧烤用）、细线、小物体（1g砝码）、铁架台（带铁夹）、1m长刻度尺、细棉线、牙签（或细铁丝）、滑动变阻器、导线、胶水.

2. 实验步骤

（1）用胶水把细竹棒中心固定在电动机的转轴上，如图2所示.

（2）按图3把直流电动机固定在铁架台上的合适高度，为降低电动机的转速，用导线把电动机接入如图4的分压电路中.

（3）把一端系有小物体（砝码）的细棉线系牢在细竹棒的一端，合上开关，电动机带动物体做匀速圆周运动，调节滑动变阻器，使转速在人眼可分辨范围为宜，测出系线处到转轴距离.

（4）物体转动半径的测量，可采用双侧无限逼近法，如图5. 当物体稳定转动后，调节水平刻度尺的高度，使它尽量靠近转动平面，注意不要碰到转动物体，拿一根牙签（或细铁丝）紧贴在尺面，反复调整牙签位置，直到转动物体经过尺面时，牙签正指向物体正下方，读出此时刻度尺的读数，同样的方法找出另一侧物体经过尺面的位置读数，两次读数之差就是物体做匀速圆周运动的半径r.

（5）物体转动周期的测量。由于采用了上述的分压电路控制电动机两端的电压，可以比较方便地调节物体转动的转速，为了使周期尽量测得准确，尽可能使物体转动得慢一点，可用常规的秒表测量，考虑到人计数时的反应时间，尽可能测出20圈以上的转动时间，求平均值得到物体转动周期.

三、实验原理数据处理与结论

1. 实验原理

此实验中物体做匀速圆周运动向心力实际为物体所受合力提供，如图6，有： F合=mgtanθ，物体做匀速圆周运动向心力理论值： F向=m =mω2r=

m（ ）2r. F合=F向？圯tanθ= g ∝ .

可以通过多次改变加在直流电动机两端的电压，调节电动机的转速，得到多组物体做圆周运动的周期、半径、摆角数值，作出tanθ∽ 图线.

本实验设计不需要测量物体做圆周运动的高度，只需要测出细线摆的长度l 和做圆周运动的半径r，系线处到转轴的距离x，从而间接地求出摆角θ .如图3，有：sinθ= ，θ=arcsin（ ）.

2. 实验数据处理与结论

（1）实验数据记录 .

（2）用Excel对数据进行处理，画出tanθ∽ 图线.

（3）结论：从图线可以看出：tanθ∝ ，证明向心力的理论值与实际值吻合，从而就验证了向心力的表达式： F向=m =mω2r.

四、后记

（1）这本是书本上的一个小实验，我们在教学时多数情况都是一带而过，甚至不去注意它. 但假如好好加以研究开发，就可设计出一个操作性强的学生分组定量研究实验，可以让学生更直观地去理解所学知识.

（2）本实验的模型其实就是很多学生在公园玩过的“飞椅”，把生活中出现的一些鲜活的事例引入课堂，用科学的方法去研究它，培养学生热爱生活、崇尚科学探究的态度.

（3）本实验在改变电动机转速时用到了分压电路，这种电路对高一学生而言还比较陌生，可以引起学生对滑动变阻器新用法的好奇，为以后的学习打下了伏笔，并且充分体现出学以致用，让学生体会运用知识解决实际问题的乐趣.

（4）本实验全部使用的是实验室现有器材，并不像我们传统的实验观念——每个学生实验都设计好了专用器材，这种理念是我们在推进新课改中所需要提倡的. 为了达到我们的教学目的，把原有实验器材进行再组装开发出其他新的功能.而DIS的引入更是可以辅助我们去测一些传统器材无法测量的物理量，比如在这个实验中测周期可以转化为测转速，只要引入光电门传感器，在细竹竿的一端连上轻质挡光板，就可以测出不同电压下电动机的转速.endprint