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        定量探究向心力實(shí)驗(yàn)儀

        2012-02-01 03:34:02王長(zhǎng)江任新成
        物理實(shí)驗(yàn) 2012年7期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)實(shí)驗(yàn)

        王長(zhǎng)江,任新成

        (延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,陜西延安716000)

        1 以往實(shí)驗(yàn)裝置存在的問(wèn)題

        1)人教版高中《物理》共同必修2第23頁(yè)“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),經(jīng)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)存在著缺陷[1-3],概括起來(lái)有:

        a.在實(shí)驗(yàn)操作中很難使小球在紙上作圓周運(yùn)動(dòng),小球大多作橢圓運(yùn)動(dòng),并且由于受空氣阻力作用小球運(yùn)動(dòng)的半徑越轉(zhuǎn)越小.

        b.小球不是質(zhì)點(diǎn),有一定體積,作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),與紙面間存在一定距離,無(wú)法精確確定在哪個(gè)圓周上運(yùn)動(dòng),半徑r難以確定,測(cè)量誤差大.

        c.在圓錐擺中小球距離懸點(diǎn)的豎直高度h不好確定,h的測(cè)量誤差大.

        d.θ角不能很大,否則r和h誤差更大,沒有驗(yàn)證的普遍性.

        對(duì)于以上問(wèn)題,研究者提出了一些改進(jìn)的意見和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),但只能做到粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式,無(wú)法直接探究質(zhì)量、半徑、角速度與向心力之間的定量關(guān)系.

        2)滬科版高中《物理》共同必修2第28頁(yè)“用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證向心力公式”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),解決了以上2個(gè)問(wèn)題,可以利用實(shí)驗(yàn)儀器直接驗(yàn)證向心力與物體質(zhì)量、角速度和運(yùn)動(dòng)半徑關(guān)系,但也存在如下不足:

        a.橫桿上的重物與滾輪之間的摩擦造成實(shí)驗(yàn)誤差較大.

        b.提供向心力的彈簧,其彈性形變性能也會(huì)造成實(shí)驗(yàn)誤差較大.

        此實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,可以定量研究,并且現(xiàn)象直觀;缺點(diǎn)是誤差較大.

        2 利用廢舊器材和電子模塊制作“向心力實(shí)驗(yàn)儀”

        針對(duì)以上2種實(shí)驗(yàn)裝置存在的問(wèn)題,我們認(rèn)為:第一類實(shí)驗(yàn)裝置由于在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上存在問(wèn)題,無(wú)論如何改進(jìn),都只能粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式;第二類實(shí)驗(yàn)裝置可以進(jìn)一步改進(jìn),減小誤差.考慮到利用身邊的器材制作教具既可以完成實(shí)驗(yàn),又可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,因此,嘗試?yán)脧U舊電器、測(cè)力傳感器、降壓穩(wěn)壓模塊、處理傳感器信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換模塊以及藍(lán)牙信號(hào)發(fā)送模塊等器材制作向心力實(shí)驗(yàn)儀.

        2.1 儀器制作

        圖1所示為該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖.實(shí)驗(yàn)裝置主要由轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、圓盤、測(cè)力傳感器、簡(jiǎn)式電腦計(jì)數(shù)器(本實(shí)驗(yàn)中用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)儀替代)、降壓穩(wěn)壓模塊、處理傳感器信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換模塊以及藍(lán)牙信號(hào)發(fā)送模塊等和外支架等器件組成. 1)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)與轉(zhuǎn)動(dòng)橫軸組成.將廢舊不用的型號(hào)為FS-40落地電風(fēng)扇的網(wǎng)罩及風(fēng)葉拆掉,取出電動(dòng)機(jī)、調(diào)速裝置及其附件;用2個(gè)鐵架臺(tái)和1個(gè)金屬桿將電動(dòng)機(jī)軸承豎直放置.驅(qū)動(dòng)電機(jī)有4個(gè)調(diào)速按鈕可以用來(lái)控制轉(zhuǎn)速.

        圖1 向心力實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

        2)測(cè)速裝置.利用簡(jiǎn)式電腦計(jì)數(shù)器或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀(本實(shí)驗(yàn)利用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀的電腦計(jì)數(shù)器)來(lái)完成.

        3)準(zhǔn)備好圓盤上測(cè)力傳感器、降壓穩(wěn)壓模塊、處理傳感器信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換模塊以及藍(lán)牙信號(hào)發(fā)送模塊等器材.

        將舊臉盆的底部取出,作為負(fù)載器材的圓盤.在圓盤的上表面,分別對(duì)稱地固定1節(jié)干電池和1個(gè)測(cè)力傳感器.

        在圓盤的下表面(如圖2所示),分別固定降壓穩(wěn)壓模塊、處理傳感器信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換模塊以及藍(lán)牙信號(hào)發(fā)送模塊.實(shí)驗(yàn)時(shí),圓盤轉(zhuǎn)動(dòng),固定在圓盤上的藍(lán)牙信號(hào)發(fā)送模塊發(fā)送信息,藍(lán)牙接收模塊(采用USB插口)與電腦相連,用于采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

        圖2 圓盤的下表面

        2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        1)轉(zhuǎn)速測(cè)定.在圓盤上粘1個(gè)撥片,其位置剛好可以通過(guò)置于旁側(cè)的光電門.光電門傳感器與信號(hào)接收處理儀,通過(guò)傳感器將撥片的擋光信號(hào)傳入接收處理儀,顯示撥片擋光20次的時(shí)間.根據(jù)線速度與角速度的換算公式即可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度.

        2)向心力的測(cè)量.在圓盤的上表面固定測(cè)力傳感器,傳感器前面有個(gè)小槽,實(shí)驗(yàn)時(shí)把不同質(zhì)量的物體放在槽中,隨著圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng),物體會(huì)緊緊貼在傳感器上,所以物體的運(yùn)動(dòng)半徑就是傳感器與圓盤圓心的距離,通過(guò)改變傳感器距離圓心的位置,實(shí)現(xiàn)了改變和測(cè)量半徑;傳感器的另一個(gè)作用是測(cè)量加在傳感器所在面上的力的大小,這塊電池和圓盤下表面固定的電路板的作用是把傳感器測(cè)得的信號(hào)無(wú)線發(fā)送,然后在計(jì)算機(jī)上連接該接收模塊便可以接收得到力的數(shù)據(jù).

        2.3 數(shù)據(jù)處理

        分別考察以下3種情況:

        a.半徑r與轉(zhuǎn)速n一定時(shí),向心力F與質(zhì)量m的關(guān)系.

        b.質(zhì)量m與轉(zhuǎn)速n一定時(shí),向心力F與半徑r的關(guān)系.

        c.質(zhì)量m與半徑r一定時(shí),向心力F與轉(zhuǎn)速n(即角速度)的關(guān)系.

        同時(shí)將向心力的測(cè)量值與理論值進(jìn)行比較.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1~3所示.

        表1 半徑r=8cm與周期T=0.42s時(shí)向心力的測(cè)量值

        表2 質(zhì)量m=2g與周期T=0.42s時(shí)向心力的測(cè)量值

        表3 質(zhì)量m=2g與半徑r=10cm時(shí)向心力的測(cè)量值

        從3個(gè)表中可以看出,在誤差允許的范圍內(nèi),向心力的測(cè)量值與理論值吻合得很好.因此,本實(shí)驗(yàn)裝置既可以進(jìn)行向心力的探究性實(shí)驗(yàn),也可以進(jìn)行向心力的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn).

        [1] 張前軍.向心力演示儀的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2010,30(12):18-21.

        [2] 陳學(xué)林.驗(yàn)證向心力表達(dá)式實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)滴改進(jìn)[J].中學(xué)物理,2010,28(8):36.

        [3] 蔡衛(wèi)東.用“圓錐擺驗(yàn)證向心力表達(dá)式”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理教學(xué),2011,3(2):23-25.

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