張通禮

人教版《向心力》這節(jié)課是從動(dòng)力學(xué)的角度研究勻速網(wǎng)周運(yùn)動(dòng)的，這部分知識(shí)是必修二第五章的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是學(xué)好圓周運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵點(diǎn).教材直接應(yīng)用牛頓第二定律定義向心力的概念，得出向心力的表達(dá)式，然后再通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)增加了我們對(duì)向心力的感性認(rèn)識(shí).學(xué)好向心力，可以為下一章萬有引力與航天和高二的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)及高三復(fù)習(xí)中解決網(wǎng)周運(yùn)動(dòng)的綜合問題奠定基礎(chǔ).尤為重要的是，圓周運(yùn)動(dòng)在生活和生產(chǎn)中都有重要的意義.通過學(xué)習(xí)，可以科學(xué)的解釋日常生活中的圓周運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象.

2015年3月世界花樣滑冰錦標(biāo)賽在上海開幕，精彩絕倫的表演讓觀者嘆為觀止.不知道是不是由于選手的動(dòng)作，激發(fā)了編者的靈感，在驗(yàn)證向心力的實(shí)驗(yàn)中教材也采用了網(wǎng)錐擺的裝置.

具體實(shí)驗(yàn)過程如下：細(xì)線一端連接鋼球，另一端固定在鐵架臺(tái)上.設(shè)法使鋼球做圓錐擺，通過其正下方的畫有幾個(gè)同心網(wǎng)的白紙，測(cè)出球勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑.用秒表記錄鋼球運(yùn)動(dòng)5圈（圈數(shù)太多，控制困難）的時(shí)間，算出其運(yùn)動(dòng)的周期，再用天平測(cè)出球的質(zhì)量，測(cè)出小球距懸點(diǎn)的豎直高度，算出其與豎直方向夾角的正切值.最后，驗(yàn)證理論上指向圓心的向心力mgtanθ與m（2π/T）?是否相等并能進(jìn)一步求出向心力的大小.

這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以采取分組形式展開，但是在實(shí)際教學(xué)中很少讓我們學(xué)生做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，基本上都是講述，原因就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然簡(jiǎn)單，但不好操作，過程復(fù)雜，很難讓鋼球作圓錐擺，從而得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不理想.為充分體現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)既能拉近科學(xué)與我們的距離，對(duì)科學(xué)產(chǎn)生親近感的優(yōu)點(diǎn)，又能便于操作特對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行以下創(chuàng)新.

一、實(shí)驗(yàn)微調(diào)

1.在擺球下鋪平并固定畫同心網(wǎng)的A4紙，保證紙張不輕易移動(dòng).調(diào)整擺球與同心圓的中心點(diǎn)豎直對(duì)齊，同時(shí)調(diào)整擺球高度以剛離開紙面幾毫米左右為宜.

2.將塑料透明圓淺盤放在白紙上，擺球放人淺盤中，同時(shí)再一次檢查擺球與中心位置是否對(duì)齊，不對(duì)齊，及時(shí)調(diào)整.雙手抓住淺盤，以同心園的圓心為中心在紙面上方做圓周運(yùn)動(dòng)，保證小球在淺盤內(nèi)壁跟著一起做圓周運(yùn)動(dòng)，適當(dāng)加快速度，等小球可以很好的貼著內(nèi)壁做網(wǎng)周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，將淺盤輕輕放下，并且保證圓筒與紙上的圓同心.這時(shí)小球就在網(wǎng)筒內(nèi)做無摩擦的圓周運(yùn)動(dòng)了，這樣就得到我們需要的圓錐擺了.

3.除此之外，我們還可以不用同心網(wǎng)紙，在鐵架臺(tái)下方安裝刻度尺.用中空的淺盤控制小球做網(wǎng)錐擺運(yùn)動(dòng)，之后從上方移走淺盤，讓小球轉(zhuǎn)起來，測(cè)量應(yīng)該更準(zhǔn)確.下面大家就動(dòng)起來，反復(fù)練習(xí)，感受實(shí)驗(yàn)的魅力吧.

二、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新1

向心力是一種讓我們感到陌生的力，而我們高一學(xué)生的抽象思維能力和邏輯推理還不是很強(qiáng)，所以只有在教學(xué)中通過實(shí)例、實(shí)驗(yàn)，才能使我們對(duì)向心力的認(rèn)識(shí)從感性認(rèn)識(shí)升華到理性認(rèn)識(shí).因此設(shè)計(jì)如圖4的裝置粗略感受向心力、驗(yàn)證向心力的表達(dá)式.

彈簧測(cè)力計(jì)粗測(cè)向心力的大小，一端與能計(jì)數(shù)的跳繩相連，另一端固定一個(gè)重物，用手掄起重物，控制讓其做勻速網(wǎng)周運(yùn)動(dòng)，速度適當(dāng)大一些，不超過測(cè)力計(jì)的量程即可.我們一起數(shù)20圈左右，用秒表記下所用的時(shí)間，然后進(jìn)行計(jì)算.驗(yàn)證F的大小與的關(guān)系，加深對(duì)向心力表達(dá)式的理解.

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新2

教室內(nèi)一般都有電風(fēng)扇，可以利用它進(jìn)行大型驗(yàn)證向心力表達(dá)式的實(shí)驗(yàn).將木頭量角器從圓心處沿半徑方向切割出一窄縫，使能恰好插入電風(fēng)扇的葉片.細(xì)繩的一端固定在量角器的網(wǎng)心，另一端固定鐵鎖或鋼球等重物.測(cè)量量角器圓心到電風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸中心的距離為L(zhǎng)1，從量角器的圓心到重物中心的距離為L(zhǎng)2，繩與豎直方向的夾角為θ.緩慢調(diào)節(jié)風(fēng)扇的調(diào)速旋鈕，使繩與豎直方向約成30°夾角，以圓錐擺運(yùn)動(dòng)某處為計(jì)圈數(shù)的起點(diǎn)數(shù)圈數(shù)，同時(shí)按下秒表計(jì)時(shí)，算出圓周運(yùn)動(dòng)的周期T.查驗(yàn)重力與繩力水平方向的合力即向心力mgtan θ與實(shí)驗(yàn)測(cè)得是否相等.該實(shí)驗(yàn)方案可視性強(qiáng)，易于操作測(cè)量，能充分點(diǎn)燃我們學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)的熱情.當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)時(shí)一定要注意安全吆.

向心力是作用效果命名的，它可以是某一個(gè)力、或幾個(gè)力的合力、還可以是某種力的分力，它是一個(gè)等效力，相對(duì)較抽象、難以理解.通過以上與圓錐擺有關(guān)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，實(shí)時(shí)操作、計(jì)算，我們漸漸明白：其實(shí)向心力的概念很簡(jiǎn)單，向心力只是一個(gè)我們?yōu)榱撕梅Q號(hào)、好理解始終指向同心的合力的另一個(gè)名稱.