陸英

摘 ? 要：“向心力”是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的手搖式向心力演示儀僅能進(jìn)行半定量探究，難以定量地探究向心力與半徑、角速度和質(zhì)量之間的關(guān)系。筆者利用簡單的材料，設(shè)計(jì)出一種操作簡單、原理直觀、讀數(shù)方便、誤差較小的向心力定量演示儀，使學(xué)生能夠通過探究法，定量研究與向心力大小有關(guān)的物理量，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)向心力公式的認(rèn)知，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：向心力;器材創(chuàng)新;探究法;定量研究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2019）5-0048-3

按照2018年江蘇省高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，高一學(xué)生應(yīng)當(dāng)通過分組實(shí)驗(yàn)，探究向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系。筆者總結(jié)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合傳統(tǒng)向心力實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)工具，以更好地提高本知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)效果，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)向心力的掌握。

1 ? ?實(shí)驗(yàn)器材的設(shè)計(jì)

一直以來，向心力都是非常重要的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也是教學(xué)的難點(diǎn)，特別是如何讓學(xué)生掌握向心力公式F=mω2r中幾個(gè)物理量之間的關(guān)系。原教材中的實(shí)驗(yàn)先后用到兩種器材，分別是手搖式向心力演示儀和圓錐擺向心力演示儀，但這兩種器材均存在較大的不足。其中，手搖式向心力演示儀存在以下一些不足：實(shí)驗(yàn)時(shí)不能保證物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)器材的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)不能精確計(jì)算力的數(shù)值，只能實(shí)現(xiàn)半定量探究。圓錐擺向心力演示儀存在以下一些不足：只能驗(yàn)證向心力表達(dá)式，而不能進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)時(shí)不能保證小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，小球運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)半徑變化較大，用秒表測量運(yùn)動(dòng)周期的測量誤差較大。

為此，筆者設(shè)計(jì)了新實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)。

1.1 ? ?設(shè)計(jì)理念

新實(shí)驗(yàn)器材可以實(shí)現(xiàn)以下三項(xiàng)功能：（1）根據(jù)向心力公式F=mω2r， F、m、ω、r四個(gè)物理量能夠通過實(shí)驗(yàn)裝置較為直觀地讀出，且誤差極小。（2）質(zhì)量m、角速度ω和半徑r其中兩個(gè)物理量不變的情況下，第三個(gè)物理量自由可調(diào)，特別需要強(qiáng)調(diào)的是，ω和r在勻速圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)過程中，需要能在一段時(shí)間內(nèi)保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。（3）實(shí)驗(yàn)器材的結(jié)構(gòu)較為簡單，即使是第一次接觸器材的學(xué)生，也能輕松上手。

1.2 ? ?實(shí)驗(yàn)裝置及原理

實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路如圖1所示，裝置由電動(dòng)機(jī)、托盤、帶刻度的透明凹槽、定滑輪、小球、鉤碼、電子天平和細(xì)繩組成。當(dāng)接通電源、啟動(dòng)開關(guān)后，電動(dòng)機(jī)開始帶動(dòng)托盤和凹槽做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，隨即小球開始在凹槽內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，并對(duì)繩子產(chǎn)生拉力，經(jīng)過三個(gè)定滑輪改變力的方向，對(duì)右側(cè)的鉤碼產(chǎn)生向上的拉力，引起電子天平讀數(shù)的變化。

F=mω2r公式中的四個(gè)物理量通過以下方式獲?。盒∏蛟陟o止時(shí)，電子天平顯示鉤碼的質(zhì)量，小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子天平讀數(shù)發(fā)生變化，通過電子天平顯示的數(shù)值差Δm，可計(jì)算拉力即向心力的大小F=Δmg;小球質(zhì)量m通過電子天平測量;小球轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω，可通過轉(zhuǎn)速儀讀取;勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r，可通過凹槽上的刻度讀取。

1.3 ? ?注意事項(xiàng)

因細(xì)繩存在形變問題，故電動(dòng)機(jī)要能雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，以釋放形變;托盤上的定滑輪需固定在凹槽上，小球在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，半徑保持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值;調(diào)整半徑大小，可通過在鉤碼上方的細(xì)繩上打結(jié)來實(shí)現(xiàn);需多準(zhǔn)備幾個(gè)質(zhì)量不同的小球，調(diào)整m的數(shù)值;電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無極變速，調(diào)整ω的大小，并準(zhǔn)備一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)讀取ω的數(shù)值。

1.4 ? ?實(shí)驗(yàn)器材的實(shí)物圖（如圖2所示）

2 ? ?實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)展示

通過控制變量法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，觀察F與其余三個(gè)物理量m、ω、r的關(guān)系。并通過Excel進(jìn)行繪圖展示。

保證質(zhì)量m和角速度ω不變，改變半徑r，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，將向心力F和半徑r的數(shù)值錄入電腦，形成F-r圖，如圖3。

保證半徑r和角速度ω不變，改變小球質(zhì)量，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，將向心力F和質(zhì)量m的數(shù)值錄入電腦，形成F-m圖，如圖4。

保證半徑r和質(zhì)量m不變，改變角速度ω，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以同時(shí)將角速度ω、角速度的平方ω2分別與F進(jìn)行對(duì)比，形成F-ω圖和F-ω2圖，如圖5、圖6，讓學(xué)生更好地理解：F與ω2是線性關(guān)系，F(xiàn)與ω是非線性關(guān)系。

3 ? ?評(píng)價(jià)與說明

3.1 ? 優(yōu)點(diǎn)

（1）新實(shí)驗(yàn)器材使操作者能夠非常直觀地測量向心力公式中所有的物理量，且測量誤差非常小。

（2）符合新的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，使學(xué)生能夠通過分組實(shí)驗(yàn)，探究向心力F的大小與半徑r、角速度ω、質(zhì)量m的關(guān)系。一方面加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，進(jìn)而提升學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 ? ?需要改進(jìn)的方面

（1）目前已制作的實(shí)驗(yàn)器材采用干電池供電，耗電較多，一定程度上增加了實(shí)驗(yàn)成本，建議改用USB供電。

（2）實(shí)驗(yàn)中的細(xì)繩仍然存在微小形變，細(xì)繩與定滑輪之間存在極小的摩擦，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一些影響，今后將進(jìn)一步探索和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛銀芹，李欣庭，張洋，馮潔. 一種向心力演示儀的設(shè)計(jì)與制作[J].湖南中學(xué)物理，2018（9）：67-68.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）