关于“离心运动轨迹的演示”的改进

余潇杭 张军朋

（华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006）

在物理教学中，“离心运动轨迹的演示”实验还是较为重要的.然而该实验实际操作起来并非很简单，会有一些细节问题值得我们注意和克服.笔者认为文献［1］一文所提出的离心运动轨迹演示方法值得商榷.

文中采用的方法：将嵌入了磁性笔尖的橡皮块放在固定在圆形转盘上的磁性画板上，实验装置如图1，然后转动手摇转台，使圆盘和画写板随之转动并且使转速由慢到快，直到橡皮块飞离画写板，从而在画写板上自动“画”出了橡皮块做离心运动的轨迹.

图1 实验装置

然而，实际实验和仔细推敲后我们会发现，由于磁性画板是固定在转盘上的，其运动状态与转盘一致，此时画出来的是橡皮相对于转盘（或磁性画板）的运动轨迹，并不是相对地面（或观察者）的离心运动的轨迹，即实验结果只会是一条几乎沿着圆周半径向外方向的直线，而无法得到文中所说的一条夹在圆周和圆周切线之间的曲线，而且在转速较小时，滑块相对磁性画板不动，不能留下做圆周运动时的轨迹，从而实验结果不能直观观察橡皮从做圆周运动到离心运动轨迹的特点.

对这一点的理解，我们可以看看粤教版《高中物理·必修2》第二章第3节“离心现象及其应用”一节中的一个实验［2］：在一个水平转动的圆盘上固定一个直径比乒乓球直径略宽些的槽，将乒乓球放在距圆盘中心不远处的槽内如图2所示，慢慢转动圆盘，乒乓球在槽里随圆盘一起转动；当圆盘加快转速时，乒乓球沿槽逐渐做远离圆盘中心运动，最后从槽口飞出.

图2 将乒乓球放在距圆盘中心不远处的槽内

可以看到，乒乓球在圆盘上的运动轨迹是沿半径向外的直线，而同时乒乓球还会随着圆盘转动，所以乒乓球相对于地面的离心运动的轨迹应该是相对圆盘沿圆盘半径方向向外的运动和随圆盘一起转动两个运动的合成之后的运动轨迹，这条轨迹才是夹在圆周和切线方向之间的离心运动轨迹.实际上，我们可以这样理解：如果去掉凹槽，要得到离心运动的轨迹，我们可以在这个装置的上方用固定的相机，录下这个过程，再放慢镜头，将乒乓球经过的各个点记录下来，用平滑的曲线连接起来就可以得到夹在圆周和切线方向之间的曲线.

受到以上这一点的启发，我们可以改进原来“离心运动轨迹的演示”一文中的实验装置，其关键的错误就是把磁性画板固定在转盘上，使得板跟着转盘转动.那么我们现在需要使磁性画板是相对地面静止的，即可将笔尖带磁性的笔安装在滑块上表面，并用两个铁架台将磁性画板固定在滑块上方，保持磁性画板相对地面不动（装置的原理图和实物图分别如图3和图4所示）.

图3 改进后的实验装置原理图

图4 改进后的实验装置实物图

那么在转盘转速较小的时候，滑块做圆周运动，带动笔运动，在固定不动的磁性画板上画下圆周的轨迹，调大转速以至于滑块做离心运动，就会留下夹在圆周和切线方向之间离心运动的轨迹.这样滑块整个过程的运动轨迹都呈现在画板上，方便直观地观察到离心运动轨迹是一条夹在圆周和切线方向之间的曲线.笔者运用改进后的实验装置得到的实验结果如图5.

图5 改进后的实验装置得到的实验结果

1 杨渠.离心运动轨迹的演示.物理通报，2001（6）：36～37

2 报宗悌.普通高中课程标准实验教科书物理（必修2）.广州：广东教育出版社，2005.38