用圆锥摆粗略验证向心力表达式实验的一点改进

严灿云

(江苏通州高级中学，江苏 通州 226300)

高中物理必修2(人教版)第5章第6节“向心力”一节中安排了实验:用圆锥摆粗略验证向心力的表达式．教材上选取这个实验的原因,引用教参上的表述:“器材易得,很容易让学生分组实验”、“摆球的受力分析方法也是以后常用的,熟练掌握有利于后面的学习”．然而,教参上也提到这个实验的难点在于“不易保持摆球的圆周运动”,进而给出的教学建议是“由于是估测,小球能转一两圈也就可以了．”

实验中我们发现,小球之所以很难做圆周运动,原因在于两点．(1) 很难赋予小球合适的初速度; (2) 空气阻力影响导致小球最终一定会做椭圆运动．怎样才能克服以上的两个难点,让这个实验更具可执行性？笔者在教学中尝试进行了一些改进．下面先阐述一下这个实验的原理.

1 实验原理

如图1,细线下面悬挂小球,细线固定在铁架台上．轻推小球使之在水平面内做圆周运动．受力分析如图2,可知:小球圆周运动所需的向心力为F=mgtanθ．

图1

图2

图3

2 实验改进方法:水平转台辅助加速启动

为了给小球合适的初速度,笔者在教学过程中尝试了一些改进．

2.1 关于装置

如图4所示,小球固定在铁架台上,悬于一水平转台的上方,组成圆锥摆．在圆锥摆下方有一水平转台,水平转台用直流12V的低速直流电机带动．具体的做法如下:

(1) 电动机的固定．实验需将图5的电机竖直固定,以保证转轴竖直向上．具体的做法是在一块方形的木块的侧面和上面打洞,两个洞是连通的．电机放入上面的洞中,两根连接线则从侧面的洞中引出,如图6．竖直洞稍大于电机直径,既方便放入电机,同时还可以用热熔枪把热熔胶打进洞中,固定电机(调整转轴至竖直方向后固定)．

图5

图6

(2) 水平转台和电机之间的连接．水平转台通过法兰联轴器(图7)直接固定在电机轴上．转台上面贴了一张画有同心圆的白纸,方便监测小球的圆周运动．

(3) 水平转台转速的调节．将电机通过滑动变阻器(全电阻为20Ω)接在学生电源的直流输出端上,如图8．输出电压为6V(不能加12V的电压,转速太快,远超过实验的需求)．缓慢的调节滑动变阻器的阻值,改变加在电机上的电压,可以使电机的转速连续变化,转台的转速也跟着变化．

图7

图8

2.2 使小球做圆锥摆运动的主要实验操作

(1) 调整转台的位置,使悬点正好位于转台的圆心正上方(这点非常重要),将小球拉离圆心位置,轻放于转台上．

(2) 将电机、滑动变阻器串联接在学生电源的直流输出端．滑动变阻器置于阻值最大处．合上开关,缓慢增加电机电压,转台的转速逐渐增加,小球跟随转台做圆周运动,直至某一转速时,小球离开转台在空中作圆周运动．在此转速附近再缓慢的调整转速(电机在启动的开始阶段会越转越快),直至小球做稳定的圆周运动．

(4) 测量高度h(h为悬点到转台的高度减去小球的半径),悬点到转台的高度用刻度尺测量,小球的直径用游标卡尺测量．

(5) 利用测得数据,进行验证．

3 关于改进实验的几点思考

图9

改进后的实验突出优点是小球可以获得一个合适的做圆锥摆运动的初速度．原理如图9,转台转速较低时,小球受到转台的支持力和静摩擦力以及绳子的拉力．转速增大时,支持力减小,拉力增大．当支持力恰好减小到0时,小球离开转台做圆周运动．此时小球做的圆周运动就是实验需要的圆锥摆．

改进后的实验还有一个优点是可以适时的补充能量,部分抵消空气阻力的影响．实验时保持转台在小球下方同速转动,当小球转了多圈后能量损失,导致圆平面下降,小球会再次触碰转台,转台会再次对小球做功,使得小球再次回到圆平面．

实验结果表明,在周期测量准确度较高的前提下,本实验的相对误差可以有效控制在3%以内．

综上,改进后的实验有效的解决了原实验的两大问题,具有更好的可执行性和可信性．

改进后的实验也存在着缺点,相对于原实验来说,改进后的实验装置在制作时对转台的水平要求很高．因为转台若是不水平,小球会在转台较高处突然被蹭离,导致球启动的速度会偏大,小球会做椭圆运动．所以,需要花费足够的耐心和时间,反复调整．

由于高考的实验考察方式,导致高中物理实验教学很大程度上只是为了“教实验”,大部分都停留在让学生走过场的看看大概有那么回事的出发点上．而这,显然跟提高学生的科学素养,对学生进行科学本质教学是相违背的．高中物理教学应该要给学生创设出具有严谨性、科学性、可执行性的物理实验,让学生真做实验,做真实验,真正地进行具有科学特质的实验研究．进行科学本质教学应是物理实验教学的出发点,这样才能真正的将提高学生的科学素养落在实处．