自制圓周運(yùn)動演示儀
——自制教具展示作品文章之四

溫慧妍

(黑龍江省柴河林業(yè)局第一中學(xué)黑龍江 牡丹江157131)

摘 要：利用塑料漏斗、圓木板、USB電動小風(fēng)扇、小球等生活物品制作簡單的圓周運(yùn)動演示儀，可以演示勻速圓周運(yùn)動、離心運(yùn)動、向心運(yùn)動.儀器比較小巧，既可用于演示實(shí)驗(yàn)，也可用于分組實(shí)驗(yàn)和課外研究性學(xué)習(xí).

關(guān)鍵詞：圓周運(yùn)動自制演示儀

收稿日期：(2015-01-23)

勻速圓周運(yùn)動是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容,無論是在力學(xué)還是電磁學(xué)中都占有重要地位，而離心運(yùn)動、向心運(yùn)動在天體變軌中也有著重要應(yīng)用，基于以上原因筆者設(shè)計了這個圓周運(yùn)動演示儀器.

1主要實(shí)驗(yàn)器材

地板塊(長21 cm，寬19 cm，厚1 cm)1塊，USB電動小風(fēng)扇(內(nèi)裝2節(jié)5號電池，去掉上面的扇葉)1個，直徑為19 cm塑料漏斗1個，圓木板(直徑23 cm,厚1.5 mm)1塊，直徑為2 cm塑料小球3個，長4.6 cm輕彈簧1個，直徑為13.5 cm電水壺底座1個，雙擋旋鈕開關(guān)1個，3個材料、大小相同、顏色不同的小磁貼.

2主要部件的制作

(1)把USB電動小風(fēng)扇上面的扇葉去掉，將扇葉后面的小電動機(jī)由水平位置扭轉(zhuǎn)到豎直，將小電動機(jī)下面的塑料支柱截去，取剩余的2 cm一段，在支柱外面套一外徑35 mm的塑料圓管以起穩(wěn)固、支撐作用，如圖1.

圖1　圓周運(yùn)動演示儀實(shí)驗(yàn)裝置

取直徑47 mm的圓木片用AD膠粘在風(fēng)扇轉(zhuǎn)頭上，在圓木片上鉆兩個小孔(對準(zhǔn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)頭上的兩個小孔).

(2)將塑料漏斗底部的直管部分鋸掉，將兩塊直徑略大于漏斗底部的圓塑料片用AD膠粘在漏斗底部的內(nèi)外兩側(cè)，在兩個圓塑料片上鉆兩個同樣的小孔.用黑色中性筆在木板上畫一個半徑為10.4 cm的圓，再在圓木板上圓心位置及對準(zhǔn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)頭上兩個小孔的位置各鉆3個小孔，用兩個螺絲釘穿過兩個小圓孔，將漏斗或圓木板固定在小電機(jī)上.

(3)在電水壺底座上挖一個大小適當(dāng)?shù)膱A洞，把USB電動小風(fēng)扇底座固定在里面，在底座上打3個小孔，用螺絲釘把水壺底座固定在地板塊上.再在木質(zhì)地板底座上打孔，把雙擋旋鈕開關(guān)固定在里面，與USB電動小風(fēng)扇底座里的電源正、負(fù)接線柱相連接(如圖1).

(4)拿兩個單擺裝置中的小擺球(要塑料材質(zhì)、直徑為2 cm的，這樣就不用再在小球上打孔了)，取材質(zhì)較結(jié)實(shí)的細(xì)線，在其一端打個套，另一端穿入小球的小孔中，并用AD膠固定住，小球小孔的另一端穿入細(xì)線，用AD膠固定，細(xì)線另一端連接輕彈簧，用同樣的方法把彈簧另一端固定在另一小球上.

3實(shí)驗(yàn)裝置的使用

(1)感受勻速圓周運(yùn)動、向心運(yùn)動

用十字改錐轉(zhuǎn)動兩個螺絲釘將圓錐形漏斗固定在小電動機(jī)上，在漏斗中放一小球，將雙擋旋鈕開關(guān)轉(zhuǎn)至低擋位，隨著漏斗轉(zhuǎn)速的增大，發(fā)現(xiàn)小球做圓周運(yùn)動的半徑增大；當(dāng)漏斗轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，小球做勻速圓周運(yùn)動；接下來關(guān)閉電源，漏斗轉(zhuǎn)速逐漸減小，小球做向心運(yùn)動(圖2).

圖2

再在圓錐形漏斗中放一塑料球，打開雙擋旋鈕開關(guān)轉(zhuǎn)至低擋位，當(dāng)漏斗轉(zhuǎn)速增大時，放一塑料瓶蓋，最后放一個乒乓球，對比它們的運(yùn)動(圖3).

圖3

(2)感受離心運(yùn)動

撤下漏斗，用十字改錐轉(zhuǎn)動螺絲釘將圓木板固定在小電機(jī)上，在圓木板上不同位置放上3塊材料相同的小磁貼(圖4)，打開開關(guān)至低擋位，小磁貼隨木板一起做圓周運(yùn)動，隨著木板轉(zhuǎn)速的增大，半徑越大的小磁貼越先脫離木板做離心運(yùn)動.

圖4

(3)感受彈簧連接的兩小球的圓周運(yùn)動

在圓木板上放上中間連有彈簧的兩個小球，其中的一個小球用細(xì)線連接，細(xì)線的另一端固定于圓木板圓心位置的鐵釘上，讓細(xì)線剛好拉直，彈簧處于原長.讓外側(cè)小球的球心對準(zhǔn)圓木板上黑色的圓形細(xì)線，如圖5所示.將雙擋旋鈕開關(guān)轉(zhuǎn)至高擋位，兩個小球隨圓木板一起轉(zhuǎn)動，隨著圓木板轉(zhuǎn)速的增大，發(fā)現(xiàn)外側(cè)小球做圓周運(yùn)動的半徑明顯變大，如圖6所示.

圖5

圖6

4儀器設(shè)計思路

勻速圓周運(yùn)動是一種常見、重要的運(yùn)動模型，不論是在力學(xué)中還是在電磁學(xué)中都有重要的應(yīng)用，而離心運(yùn)動、向心運(yùn)動在衛(wèi)星變軌問題中也有重要應(yīng)用，但在教材中并沒有這類演示實(shí)驗(yàn)，基于以上原因筆者設(shè)計了這個實(shí)驗(yàn)儀器.

而感受彈簧連接的兩小球的圓周運(yùn)動實(shí)驗(yàn)來源于如下習(xí)題.

【例題】A，B兩球質(zhì)量分別為m1與m2，用一勁度系數(shù)為κ的彈簧相連，一長為l1的細(xì)線與A相連，置于水平光滑桌面上，細(xì)線的另一端拴在豎直軸OO′上，如圖7所示，當(dāng)A與B均以角速度ω繞OO′軸做勻速圓周運(yùn)動時，彈簧長度為l2.求：

(1)此時彈簧伸長量多大,繩子張力多大;

(2)將線突然燒斷瞬間兩球加速度各多大.

圖7

答案：

(1)彈簧伸長量

繩子拉力

T=m1ω2l1+m2ω2(l1+l2)

(2)線燒斷瞬間，A球加速度

B球加速度

這是一道比較典型的圓周運(yùn)動習(xí)題，很多學(xué)生看到這道題時會感到難度很大，不知如何下手、如何分析！其實(shí)，只要讓學(xué)生看看這個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，問題就一下暴露出來了，難度就沒有看起來的那么大，學(xué)生在處理起來就要輕松得多，而且這個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也會深深地印在他們的大腦之中，讓他們注意到觀察與實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科中有多么重要！

5儀器特點(diǎn)

(1)全部由廢棄材料制作而成

底座是由裝修房屋剩下的復(fù)合地板塊以及用壞的電水壺底座改裝的，中間部分是由廢棄的USB電動小風(fēng)扇改裝成的，圓木板是由廢棄的膠合板制成的，雙擋旋鈕開關(guān)是從用壞的電暖風(fēng)上拆卸下來的.

(2)具有實(shí)用、簡單、直觀、易于制作的特點(diǎn)

本儀器的制作比較簡單，現(xiàn)象直觀，這樣做的目的意在對學(xué)生進(jìn)行一種暗示.比如在安裝圓木板時，用的是最原始的方式——用十字改錐來安裝，其實(shí)也可以用卡槽的方式，即把原木板或漏斗向下一按，卡在小發(fā)動機(jī)上面的凹槽里，這樣既美觀、又方便，但“用十字改錐來安裝”這種最原始的方式會讓學(xué)生感到這個儀器安裝很簡單，制作不太難，材料也容易找到，如果試一試，他們也可以做到！這樣會激發(fā)他們?nèi)邮?、觀察、實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步培養(yǎng)他們的創(chuàng)新意識.

(3)可以促進(jìn)學(xué)生形成良好的環(huán)保意識和習(xí)慣

學(xué)生在觀察、參與制作儀器的過程中會發(fā)現(xiàn)日常生活中的廢棄物品竟然可以化腐朽為神奇，制作出這么多有趣、讓人印象深刻、令人難忘的小實(shí)驗(yàn)！進(jìn)而幫助學(xué)生養(yǎng)成廢舊物品再利用、低碳減排、環(huán)保節(jié)能、形成可持續(xù)發(fā)展的意識及好習(xí)慣！