驗證“向心力”實驗裝置的改進(jìn)

王少鹍

在圓周運動的教學(xué)中，難點是對向心力的精確測量。通常情況下教師在教學(xué)中只對向心力進(jìn)行定性研究，教學(xué)難點難于有效突破，為此，筆者結(jié)合數(shù)字化實驗，自制了驗證“向心力”演示儀，在教學(xué)中收到了很好的效果。

向心力數(shù)字化實驗定量探究在物理教學(xué)中，物理概念、物理規(guī)律的教學(xué)是最核心的內(nèi)容，而物理實驗是物理教學(xué)的最重要也是最有效的手段。使用數(shù)字化實驗來輔助教學(xué)，極大地促進(jìn)了物理新課程改革和教學(xué)質(zhì)量的提高。

向心力是描述圓周運動的基本物理量，在普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理必修二（人教版）第五章第七節(jié)中，演示實驗“用圓錐擺粗略驗證向心力的表達(dá)式”。其實驗裝置如圖1所示：

該裝置在驗證向心力大小與質(zhì)量、速度及半徑關(guān)系時有幾點不足：

（1）小球易做橢圓運動，控制小球做圓周運動有難度。

（2）實驗操作時，很難做到小球運動的圓周與白紙上的圓周重合，半徑的準(zhǔn)確測量有困難。

（3）為較準(zhǔn)確測量小球圓周運動周期，一般需測量較長時間，小球在運動過程中半徑逐漸變小，周期測量誤差較大。

（4）可見度小，學(xué)生不易觀察，實驗不具備可重復(fù)性。

鑒于以上問題，根據(jù)教學(xué)實際，筆者結(jié)合數(shù)字化實驗自制了驗證“向心力”實驗裝置的教具，比較有效的解決了上述問題，從而實現(xiàn)了對向心力的準(zhǔn)確測量，突破了“準(zhǔn)確”驗證向心力表達(dá)式這一教學(xué)難點。現(xiàn)將該實驗裝置的制作和實驗過程介紹如下。

一、實驗材料和實驗器材

40×70cm鋼板一塊、固定螺母3個、調(diào)平螺絲4個、0.3mm的漆包線、半徑2cm，長為60cm的鍍鋅鐵管2根；寬10cm長60cm的橫板一塊；寬2.5cm，長為60cm的鍍鋅方管一根。導(dǎo)線若干，開關(guān)一個，電源、細(xì)繩、橡皮筋、小圓柱體（96.8g）、力傳感器、光電門傳感器，數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)等。

二、實驗裝置制作

將兩根鍍鋅鐵管與一根方管焊接成“門”字型支架，鋼板打孔，用固定螺母把“門”字型支架固定在鋼板上；在鋼板底部四角安裝用以調(diào)節(jié)水平的底角螺絲，在鋼板中央黏合水平儀；將0.3mm的漆包線繞成電磁繼電器與電源開關(guān)相連并固定于鐵管一側(cè)；用細(xì)線把小圓柱體與力傳感器相連，把傳感器固定于“門”字型支架上；兩豎桿間架一寬10cm，長60cm的鍍鋅薄板，兩端打孔套于鐵管上可沿鐵管上下移動，輔以緊固螺絲加以固定；將光電門置于橫板上并固定；整個實驗裝置如圖2所示：

三、實驗原理

調(diào)節(jié)力傳感器的數(shù)據(jù)使小圓柱體靜止在豎直方向時力傳感器的示數(shù)為0，這樣小圓柱體在擺至最低點時力傳感器顯示的數(shù)值即是擺球在最低點時的向心力。用光電門測出小圓柱體在最低點時經(jīng)過光電門的時間t。用游標(biāo)卡尺測出小圓柱體的直徑d和高h(yuǎn)，用刻度尺測出懸線的長度l。小圓柱體經(jīng)過最低點時的速度v表示為d/t，小圓柱體圓周運動的半徑r表示為l+h/2。小圓柱體的質(zhì)量m用天平測量。

四、實驗過程

按裝置圖連接好實驗裝置；調(diào)節(jié)力傳感器的示數(shù)使擺球靜止在豎直方向時為0；打開電磁繼電器開關(guān)，把小圓柱體拉到電磁繼電器上被其吸附；斷開電磁繼電器開關(guān)，讓小圓柱體在豎直平面內(nèi)自由擺動；記錄小圓柱體擺動穩(wěn)定后，小圓柱體通過最低點時的力F與時間t的數(shù)值；用游標(biāo)卡尺測出小圓柱體的直徑d和高h(yuǎn)，用刻度尺測出懸線的長度l；圓柱體經(jīng)過最低點時的速度v=d/t，小圓柱體圓周運動的半徑r=l+h/2；最后用朗威軟件來處理數(shù)據(jù)，如圖3所示，得出的結(jié)論為：細(xì)線的拉力與重力的合力在最低點時與mv2/r相等。

五、教學(xué)體會

本實驗裝置用物體在豎直平面內(nèi)的圓周運動來代替水平面內(nèi)的圓錐擺運動，增強(qiáng)了實驗的可操作性及可重復(fù)性，實驗準(zhǔn)確驗證了向心力的表達(dá)式。將物體由電磁繼電器吸附，斷電使其自由釋放，消除了由實驗者人工操作時帶來的圓周運動的不穩(wěn)定。本裝置采用力傳感器、時間傳感器可以對F、v進(jìn)行精確測量，利用數(shù)字化實驗強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力和靈活的數(shù)據(jù)處理能力使復(fù)雜繁難的實驗變得簡單易行，有效地突破了教學(xué)難點。

傳感器、計算機(jī)信息技術(shù)設(shè)備都是物理學(xué)發(fā)展和進(jìn)步的成果，將其應(yīng)用到物理實驗教學(xué)當(dāng)中，與時俱進(jìn)，且能開闊學(xué)生的視野，另外學(xué)生借助于先進(jìn)的實驗手段，在實驗中收獲到意想不到的成功，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣和對科學(xué)的探索精神。

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