巧妙構(gòu)置向心力演示器驗(yàn)證向心力表達(dá)式

劉召新

(余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

勻速圓周運(yùn)動(dòng)是高中物理教學(xué)的一個(gè)重難點(diǎn)模型.“5.6 向心力”是人教版新教材《物理·必修2》的內(nèi)容.對(duì)向心力的理解是學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵．教材對(duì)此部分的安排是：首先，教材中對(duì)于向心力的表達(dá)式的處理方式是直接呈現(xiàn)給學(xué)生；然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)此規(guī)律驗(yàn)證;最后再運(yùn)用此規(guī)律解決問題．因此，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證向心力公式的正確性成為學(xué)生對(duì)向心力公式科學(xué)性認(rèn)識(shí)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)．教師根據(jù)教材提供的圓錐擺運(yùn)動(dòng)思路設(shè)計(jì)一個(gè)可行的實(shí)驗(yàn)方案是本章教學(xué)的重點(diǎn)，不但符合了物理學(xué)研究的基本方法，而且符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律．但是教材中給出的只是一種拋磚引玉的指導(dǎo)方法，在實(shí)際操作中有諸多困難，大多教師苦于此實(shí)驗(yàn)難以設(shè)計(jì).

筆者經(jīng)過多年對(duì)該內(nèi)容的實(shí)際教學(xué)摸索，反復(fù)地設(shè)計(jì)和改進(jìn)，終于研制出一個(gè)適宜課堂教學(xué)的驗(yàn)證向心力公式的實(shí)驗(yàn)儀．經(jīng)專家和教師在課堂教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，一致認(rèn)為其可操作性和實(shí)驗(yàn)效果都優(yōu)于現(xiàn)有的其他同類實(shí)驗(yàn)儀器．

1 裝置的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)器材及結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，標(biāo)示出裝置的實(shí)驗(yàn)器材和主要結(jié)構(gòu).

①電源開關(guān)，②電機(jī)調(diào)速旋鈕，③暫停/計(jì)時(shí)按鈕，④清零按鈕，⑤計(jì)圈數(shù)面板，⑥計(jì)時(shí)面板，⑦細(xì)線，⑧電動(dòng)機(jī)，⑨擺球，⑩光電門，○11可調(diào)螺絲.

圖1 向心力演示器結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物圖如圖2所示.

圖2 向心力演示器實(shí)物

2 操作步驟

(1)將本演示器置于在水平桌面上，微調(diào)平衡螺絲，使本裝置呈現(xiàn)水平狀態(tài)．

(2)將細(xì)繩從小球球心穿過，上端固定于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸，用刻度尺測(cè)量懸點(diǎn)到達(dá)小球球心的長(zhǎng)度l．

(3)接通電動(dòng)機(jī)電源，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，用手為小球施加一個(gè)初動(dòng)量．微調(diào)電動(dòng)機(jī)選擇一個(gè)合適的轉(zhuǎn)速，使得小球穩(wěn)定地做圓錐擺運(yùn)動(dòng)．

(4)接通光電門電源，調(diào)節(jié)光電門在水平底座上的位置，使得光電門之間的光線通過小球所在的圓周軌道．從水平刻度橫梁上讀出光電門所在位置的刻度，此長(zhǎng)度即為小球所做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r．

(5)以上步驟完成后，選擇小球再次經(jīng)過光電門之間時(shí)，按下數(shù)字面板裝置上的計(jì)時(shí)開關(guān)，數(shù)字顯示器清零后，開始計(jì)數(shù)N和計(jì)時(shí)t．選擇合適的次數(shù)，然后計(jì)算出勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期

(6)將以上實(shí)驗(yàn)步驟中的得到的T和r代入向心力表達(dá)式

(7)然后將以上步驟中的數(shù)據(jù)代入到

(8)將步驟(6)和(7)的結(jié)果相比較，即向心力表達(dá)式得以驗(yàn)證．

(9)改變繩長(zhǎng)l和小球圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r，重復(fù)以上操作步驟，進(jìn)行多次驗(yàn)證．

3 本實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)

(1)利用光電門，巧妙地解決了圓錐擺運(yùn)動(dòng)中所形成的空間圓周半徑的確定難題．利用傳感器數(shù)字記錄完成圓周運(yùn)動(dòng)的次數(shù)N與所用時(shí)間t，便捷得到周期T．

(2)利用電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小球做圓錐擺運(yùn)動(dòng)，能夠補(bǔ)充由于空氣的摩擦產(chǎn)生的能量損失，從而得到較穩(wěn)定的勻速圓周運(yùn)動(dòng)．而且不會(huì)改變圓周運(yùn)動(dòng)的周期．

(3)操作簡(jiǎn)單易學(xué)，實(shí)驗(yàn)效果極佳，外型簡(jiǎn)潔美觀，與教材要求相匹配，非常適宜課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)．

4 本實(shí)驗(yàn)裝置的拓展

本裝置也可以將測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為測(cè)量高度，即在數(shù)值支架上安裝刻度尺和激光筆，然后通過激光定位小球的豎直高度或者繩長(zhǎng)．

備注：該教具獲得浙江省創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)一等獎(jiǎng)，已經(jīng)獲得國(guó)家專利(專利號(hào)：ZL2012-2-0741928.1)并且與教學(xué)儀器廠合作生產(chǎn).