簡易向心力探索裝置

簡易向心力探索裝置

李 杰

(四川省營山縣第二中學四川 南充637700)

摘 要：針對“用圓錐擺粗略驗證向心力表達式”實驗的不足，設計出一簡易向心力探索裝置，該裝置可方便改變做圓周運動物體的轉速、運動半徑、質量等參量，粗略驗證向心力的表達式.為教師上課演示向心力表達式提供了方便.

關鍵詞：向心力圓周運動裝置

收稿日期：(2015-03-07)

1引言

“用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式”實驗是《物理·必修2》(人教版)“向心力”一節中的內容，實驗裝置如圖1所示[1].利用該裝置進行實驗在儀器的實驗原理、實驗構思、實驗方法以及學生的可參與度等方面都給人以完美的感覺，而在進行實際操作時卻發現有以下幾點不妥：

圖1　用圓錐擺驗證向心力表達式

(1)在具體操作中要想使小球沿紙上的某個圓周運動很難，大多數情況下小球都做橢圓運動；

(2)在圓周運動時球與紙面間存在一定的距離，很難確定小球究竟在哪個圓周上運動，半徑r的測量誤差大；

(3)在圓錐擺中小球距離懸點的豎直高度h不好確定，測得的h誤差大.

雖說該實驗取名用了“粗略”二字,但基于以上3點原因，實驗測量結果誤差較大，達不到驗證效果.

傳統的向心力演示儀由于用擋板對小球的壓力來提供向心力，致使向心力的顯示裝置、原理、結構都比較復雜，學生不易理解且向心力的顯示效果不夠明顯,很難得出F與m，r，ω之間的定量關系.該裝置需用手搖動，不僅笨重費力，教師如要將該裝置搬入課堂進行教學演示也很不方便，因此該裝置只適合放在實驗室進行實驗驗證.所以為了方便高中物理“向心力向心加速度”的課堂教學，粗略驗證向心力表達式，我們設計了簡易向心力探究裝置，目的是想通過本儀器用演示實驗手段，采用粗略定量研究的方法，較好地解決了課堂教學中驗證向心力公式實驗時難以實現既簡便又操作方便的難題.

2裝置結構及制作

器材的準備：細銅管長30 cm左右或中性筆筆筒，細線，軟尺，秒表，質量已知的大、中、小塑料球3個，彈簧測力計1個.

設計的簡易向心力探索裝置如圖2所示.

圖2　簡易向心力探索裝置結構

3實驗原理與使用說明

3.1實驗原理

由向心力的公式F=mrω2，想通過實驗粗略測出F與m,r,ω之間的關系，必然要求能夠自由地改變做圓周運動物體的質量、角速度和半徑,并且要把由于質量、半徑和角速度的改變而引起的向心力變化盡量顯現出來，可見度要高，操作要方便.為此我們決定采用彈簧的彈力(即用彈簧對物體的拉力)來提供做圓周運動物體的向心力.

由F拉=F向=κΔx=mrω2可知,當m,r,ω三者之一發生變化時，彈簧的形變量Δx必然發生變化,這樣,由于m,r,ω發生變化而引起的向心力的變化就可以直接通過彈簧的彈性形變量Δx顯示出來，既直觀形象，又便于測量.

3.2使用說明

一位學生握住細銅管并在頭頂旋轉甩動塑料球，塑料球做圓周運動，系塑料球細線的另一端連有懸垂的彈簧測力計，測力計由一位學生握住并負責讀出實驗時測力計的示數.當系統處于平衡狀態時，向心力與彈簧測力計測得的拉力相等.

在塑料球開始做勻速圓周運動后，其他學生就可以用秒表測量塑料球的轉動周期.學生也可以用軟尺測量塑料球旋轉的半徑或者定量改變小球的旋轉半徑.通過更換塑料球的大小可改變其質量.該裝置可進行以下3種實驗，從而粗略探究出F與m,r,ω之間的關系.

(1)力與速度的關系.改變塑料球的轉速,保持其質量和半徑不變，確定F與ω的關系.

(2)力與半徑的關系.改變軌道的半徑保持轉速和半徑不變，確定F與r的關系.

(3)力與質量的關系.改變塑料球的質量,保持轉速和質量不變，確定F與m的關系.

4結束語

意識來自于體驗過程,而不是來自知識[2].物理學中,概念的形成、規律的發現、理論的建立,都有賴于實驗,學好物理就要做好實驗.所以在實驗教學過程中教師要積極利用身邊的一些材料,創造實驗條件，并盡可能讓學生參與其中，重視學生學習過程中的體驗，從而提高教學效果.

參 考 文 獻

1人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材開發中心.普通高中課程標準實驗教科書 物理·必修2.北京:人民教育出版社,2009

2張前軍. 向心力演示儀的改進. 物理實驗,2010，30(12)：18～20