劉召新

(余姚市第四中學 浙江 寧波 315400)

勻速圓周運動是高中物理教學的一個重難點模型.“5.6 向心力”是人教版新教材《物理·必修2》的內容.對向心力的理解是學習圓周運動的關鍵．教材對此部分的安排是：首先，教材中對于向心力的表達式的處理方式是直接呈現給學生；然后設計實驗對此規(guī)律驗證;最后再運用此規(guī)律解決問題．因此，通過實驗驗證向心力公式的正確性成為學生對向心力公式科學性認識的一個關鍵環(huán)節(jié)．教師根據教材提供的圓錐擺運動思路設計一個可行的實驗方案是本章教學的重點，不但符合了物理學研究的基本方法，而且符合學生的認知規(guī)律．但是教材中給出的只是一種拋磚引玉的指導方法，在實際操作中有諸多困難，大多教師苦于此實驗難以設計.

筆者經過多年對該內容的實際教學摸索，反復地設計和改進，終于研制出一個適宜課堂教學的驗證向心力公式的實驗儀．經專家和教師在課堂教學中的實際應用檢驗，一致認為其可操作性和實驗效果都優(yōu)于現有的其他同類實驗儀器．

1 裝置的主要結構和功能介紹

1.1 實驗器材及結構圖

如圖1所示，標示出裝置的實驗器材和主要結構.

①電源開關，②電機調速旋鈕，③暫停/計時按鈕，④清零按鈕，⑤計圈數面板，⑥計時面板，⑦細線，⑧電動機，⑨擺球，⑩光電門，○11可調螺絲.

圖1 向心力演示器結構

1.2 實驗裝置的實物圖

實驗裝置的實物圖如圖2所示.

圖2 向心力演示器實物

2 操作步驟

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

(2)將細繩從小球球心穿過，上端固定于電動機轉軸，用刻度尺測量懸點到達小球球心的長度l．

(3)接通電動機電源，啟動電動機，用手為小球施加一個初動量．微調電動機選擇一個合適的轉速，使得小球穩(wěn)定地做圓錐擺運動．

(4)接通光電門電源，調節(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，此長度即為小球所做圓周運動的半徑r．

(5)以上步驟完成后，選擇小球再次經過光電門之間時，按下數字面板裝置上的計時開關，數字顯示器清零后，開始計數N和計時t．選擇合適的次數，然后計算出勻速圓周運動的周期

(6)將以上實驗步驟中的得到的T和r代入向心力表達式

(7)然后將以上步驟中的數據代入到

(8)將步驟(6)和(7)的結果相比較，即向心力表達式得以驗證．

(9)改變繩長l和小球圓周運動的半徑r，重復以上操作步驟，進行多次驗證．

3 本實驗裝置的特點

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

(2)利用電動機的轉動帶動小球做圓錐擺運動，能夠補充由于空氣的摩擦產生的能量損失，從而得到較穩(wěn)定的勻速圓周運動．而且不會改變圓周運動的周期．

(3)操作簡單易學，實驗效果極佳，外型簡潔美觀，與教材要求相匹配，非常適宜課堂演示實驗教學．

4 本實驗裝置的拓展

本裝置也可以將測量的物理量轉化為測量高度，即在數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．

備注：該教具獲得浙江省創(chuàng)新實驗一等獎，已經獲得國家專利(專利號：ZL2012-2-0741928.1)并且與教學儀器廠合作生產.