簡易向心力探索裝置

李 杰

(四川省營山縣第二中學(xué)四川 南充637700)

摘 要：針對“用圓錐擺粗略驗證向心力表達(dá)式”實驗的不足，設(shè)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(zhuǎn)速、運動半徑、質(zhì)量等參量，粗略驗證向心力的表達(dá)式.為教師上課演示向心力表達(dá)式提供了方便.

關(guān)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(dá)式”實驗是《物理·必修2》(人教版)“向心力”一節(jié)中的內(nèi)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(gòu)思、實驗方法以及學(xué)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(fā)現(xiàn)有以下幾點不妥：

圖1　用圓錐擺驗證向心力表達(dá)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(shù)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(jié)果誤差較大，達(dá)不到驗證效果.

傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，學(xué)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(guān)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(xué)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(xué)，粗略驗證向心力表達(dá)式，我們設(shè)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(xué)中驗證向心力公式實驗時難以實現(xiàn)既簡便又操作方便的難題.

2裝置結(jié)構(gòu)及制作

器材的準(zhǔn)備：細(xì)銅管長30 cm左右或中性筆筆筒，細(xì)線，軟尺，秒表，質(zhì)量已知的大、中、小塑料球3個，彈簧測力計1個.

設(shè)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(jié)構(gòu)

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(guān)系，必然要求能夠自由地改變做圓周運動物體的質(zhì)量、角速度和半徑,并且要把由于質(zhì)量、半徑和角速度的改變而引起的向心力變化盡量顯現(xiàn)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(dāng)m,r,ω三者之一發(fā)生變化時，彈簧的形變量Δx必然發(fā)生變化,這樣,由于m,r,ω發(fā)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(xué)生握住細(xì)銅管并在頭頂旋轉(zhuǎn)甩動塑料球，塑料球做圓周運動，系塑料球細(xì)線的另一端連有懸垂的彈簧測力計，測力計由一位學(xué)生握住并負(fù)責(zé)讀出實驗時測力計的示數(shù).當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)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(xué)生就可以用秒表測量塑料球的轉(zhuǎn)動周期.學(xué)生也可以用軟尺測量塑料球旋轉(zhuǎn)的半徑或者定量改變小球的旋轉(zhuǎn)半徑.通過更換塑料球的大小可改變其質(zhì)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(guān)系.

(1)力與速度的關(guān)系.改變塑料球的轉(zhuǎn)速,保持其質(zhì)量和半徑不變，確定F與ω的關(guān)系.

(2)力與半徑的關(guān)系.改變軌道的半徑保持轉(zhuǎn)速和半徑不變，確定F與r的關(guān)系.

(3)力與質(zhì)量的關(guān)系.改變塑料球的質(zhì)量,保持轉(zhuǎn)速和質(zhì)量不變，確定F與m的關(guān)系.

4結(jié)束語

意識來自于體驗過程,而不是來自知識[2].物理學(xué)中,概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立,都有賴于實驗,學(xué)好物理就要做好實驗.所以在實驗教學(xué)過程中教師要積極利用身邊的一些材料,創(chuàng)造實驗條件，并盡可能讓學(xué)生參與其中，重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的體驗，從而提高教學(xué)效果.

參 考 文 獻(xiàn)

1人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)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