嚴燦云

(江蘇通州高級中學(xué)，江蘇 通州 226300)

高中物理必修2(人教版)第5章第6節(jié)“向心力”一節(jié)中安排了實驗:用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式．教材上選取這個實驗的原因,引用教參上的表述:“器材易得,很容易讓學(xué)生分組實驗”、“擺球的受力分析方法也是以后常用的,熟練掌握有利于后面的學(xué)習”．然而,教參上也提到這個實驗的難點在于“不易保持擺球的圓周運動”,進而給出的教學(xué)建議是“由于是估測,小球能轉(zhuǎn)一兩圈也就可以了．”

實驗中我們發(fā)現(xiàn),小球之所以很難做圓周運動,原因在于兩點．(1) 很難賦予小球合適的初速度; (2) 空氣阻力影響導(dǎo)致小球最終一定會做橢圓運動．怎樣才能克服以上的兩個難點,讓這個實驗更具可執(zhí)行性？筆者在教學(xué)中嘗試進行了一些改進．下面先闡述一下這個實驗的原理.

1 實驗原理

如圖1,細線下面懸掛小球,細線固定在鐵架臺上．輕推小球使之在水平面內(nèi)做圓周運動．受力分析如圖2,可知:小球圓周運動所需的向心力為F=mgtanθ．

圖1

圖2

圖3

2 實驗改進方法:水平轉(zhuǎn)臺輔助加速啟動

為了給小球合適的初速度,筆者在教學(xué)過程中嘗試了一些改進．

2.1 關(guān)于裝置

如圖4所示,小球固定在鐵架臺上,懸于一水平轉(zhuǎn)臺的上方,組成圓錐擺．在圓錐擺下方有一水平轉(zhuǎn)臺,水平轉(zhuǎn)臺用直流12V的低速直流電機帶動．具體的做法如下:

(1) 電動機的固定．實驗需將圖5的電機豎直固定,以保證轉(zhuǎn)軸豎直向上．具體的做法是在一塊方形的木塊的側(cè)面和上面打洞,兩個洞是連通的．電機放入上面的洞中,兩根連接線則從側(cè)面的洞中引出,如圖6．豎直洞稍大于電機直徑,既方便放入電機,同時還可以用熱熔槍把熱熔膠打進洞中,固定電機(調(diào)整轉(zhuǎn)軸至豎直方向后固定)．

圖5

圖6

(2) 水平轉(zhuǎn)臺和電機之間的連接．水平轉(zhuǎn)臺通過法蘭聯(lián)軸器(圖7)直接固定在電機軸上．轉(zhuǎn)臺上面貼了一張畫有同心圓的白紙,方便監(jiān)測小球的圓周運動．

(3) 水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)．將電機通過滑動變阻器(全電阻為20Ω)接在學(xué)生電源的直流輸出端上,如圖8．輸出電壓為6V(不能加12V的電壓,轉(zhuǎn)速太快,遠超過實驗的需求)．緩慢的調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值,改變加在電機上的電壓,可以使電機的轉(zhuǎn)速連續(xù)變化,轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速也跟著變化．

圖7

圖8

2.2 使小球做圓錐擺運動的主要實驗操作

(1) 調(diào)整轉(zhuǎn)臺的位置,使懸點正好位于轉(zhuǎn)臺的圓心正上方(這點非常重要),將小球拉離圓心位置,輕放于轉(zhuǎn)臺上．

(2) 將電機、滑動變阻器串聯(lián)接在學(xué)生電源的直流輸出端．滑動變阻器置于阻值最大處．合上開關(guān),緩慢增加電機電壓,轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速逐漸增加,小球跟隨轉(zhuǎn)臺做圓周運動,直至某一轉(zhuǎn)速時,小球離開轉(zhuǎn)臺在空中作圓周運動．在此轉(zhuǎn)速附近再緩慢的調(diào)整轉(zhuǎn)速(電機在啟動的開始階段會越轉(zhuǎn)越快),直至小球做穩(wěn)定的圓周運動．

(4) 測量高度h(h為懸點到轉(zhuǎn)臺的高度減去小球的半徑),懸點到轉(zhuǎn)臺的高度用刻度尺測量,小球的直徑用游標卡尺測量．

(5) 利用測得數(shù)據(jù),進行驗證．

3 關(guān)于改進實驗的幾點思考

圖9

改進后的實驗突出優(yōu)點是小球可以獲得一個合適的做圓錐擺運動的初速度．原理如圖9,轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速較低時,小球受到轉(zhuǎn)臺的支持力和靜摩擦力以及繩子的拉力．轉(zhuǎn)速增大時,支持力減小,拉力增大．當支持力恰好減小到0時,小球離開轉(zhuǎn)臺做圓周運動．此時小球做的圓周運動就是實驗需要的圓錐擺．

改進后的實驗還有一個優(yōu)點是可以適時的補充能量,部分抵消空氣阻力的影響．實驗時保持轉(zhuǎn)臺在小球下方同速轉(zhuǎn)動,當小球轉(zhuǎn)了多圈后能量損失,導(dǎo)致圓平面下降,小球會再次觸碰轉(zhuǎn)臺,轉(zhuǎn)臺會再次對小球做功,使得小球再次回到圓平面．

實驗結(jié)果表明,在周期測量準確度較高的前提下,本實驗的相對誤差可以有效控制在3%以內(nèi)．

綜上,改進后的實驗有效的解決了原實驗的兩大問題,具有更好的可執(zhí)行性和可信性．

改進后的實驗也存在著缺點,相對于原實驗來說,改進后的實驗裝置在制作時對轉(zhuǎn)臺的水平要求很高．因為轉(zhuǎn)臺若是不水平,小球會在轉(zhuǎn)臺較高處突然被蹭離,導(dǎo)致球啟動的速度會偏大,小球會做橢圓運動．所以,需要花費足夠的耐心和時間,反復(fù)調(diào)整．

由于高考的實驗考察方式,導(dǎo)致高中物理實驗教學(xué)很大程度上只是為了“教實驗”,大部分都停留在讓學(xué)生走過場的看看大概有那么回事的出發(fā)點上．而這,顯然跟提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),對學(xué)生進行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)是相違背的．高中物理教學(xué)應(yīng)該要給學(xué)生創(chuàng)設(shè)出具有嚴謹性、科學(xué)性、可執(zhí)行性的物理實驗,讓學(xué)生真做實驗,做真實驗,真正地進行具有科學(xué)特質(zhì)的實驗研究．進行科學(xué)本質(zhì)教學(xué)應(yīng)是物理實驗教學(xué)的出發(fā)點,這樣才能真正的將提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)落在實處．