巧妙構(gòu)置向心力演示器驗證向心力表達式

劉召新

(余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

勻速圓周運動是高中物理教學(xué)的一個重難點模型.“5.6 向心力”是人教版新教材《物理·必修2》的內(nèi)容.對向心力的理解是學(xué)習(xí)圓周運動的關(guān)鍵．教材對此部分的安排是：首先，教材中對于向心力的表達式的處理方式是直接呈現(xiàn)給學(xué)生；然后設(shè)計實驗對此規(guī)律驗證;最后再運用此規(guī)律解決問題．因此，通過實驗驗證向心力公式的正確性成為學(xué)生對向心力公式科學(xué)性認識的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)．教師根據(jù)教材提供的圓錐擺運動思路設(shè)計一個可行的實驗方案是本章教學(xué)的重點，不但符合了物理學(xué)研究的基本方法，而且符合學(xué)生的認知規(guī)律．但是教材中給出的只是一種拋磚引玉的指導(dǎo)方法，在實際操作中有諸多困難，大多教師苦于此實驗難以設(shè)計.

筆者經(jīng)過多年對該內(nèi)容的實際教學(xué)摸索，反復(fù)地設(shè)計和改進，終于研制出一個適宜課堂教學(xué)的驗證向心力公式的實驗儀．經(jīng)專家和教師在課堂教學(xué)中的實際應(yīng)用檢驗，一致認為其可操作性和實驗效果都優(yōu)于現(xiàn)有的其他同類實驗儀器．

1 裝置的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

1.1 實驗器材及結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，標示出裝置的實驗器材和主要結(jié)構(gòu).

①電源開關(guān)，②電機調(diào)速旋鈕，③暫停/計時按鈕，④清零按鈕，⑤計圈數(shù)面板，⑥計時面板，⑦細線，⑧電動機，⑨擺球，⑩光電門，○11可調(diào)螺絲.

圖1 向心力演示器結(jié)構(gòu)

1.2 實驗裝置的實物圖

實驗裝置的實物圖如圖2所示.

圖2 向心力演示器實物

2 操作步驟

(1)將本演示器置于在水平桌面上，微調(diào)平衡螺絲，使本裝置呈現(xiàn)水平狀態(tài)．

(2)將細繩從小球球心穿過，上端固定于電動機轉(zhuǎn)軸，用刻度尺測量懸點到達小球球心的長度l．

(3)接通電動機電源，啟動電動機，用手為小球施加一個初動量．微調(diào)電動機選擇一個合適的轉(zhuǎn)速，使得小球穩(wěn)定地做圓錐擺運動．

(4)接通光電門電源，調(diào)節(jié)光電門在水平底座上的位置，使得光電門之間的光線通過小球所在的圓周軌道．從水平刻度橫梁上讀出光電門所在位置的刻度，此長度即為小球所做圓周運動的半徑r．

(5)以上步驟完成后，選擇小球再次經(jīng)過光電門之間時，按下數(shù)字面板裝置上的計時開關(guān)，數(shù)字顯示器清零后，開始計數(shù)N和計時t．選擇合適的次數(shù)，然后計算出勻速圓周運動的周期

(6)將以上實驗步驟中的得到的T和r代入向心力表達式

(7)然后將以上步驟中的數(shù)據(jù)代入到

(8)將步驟(6)和(7)的結(jié)果相比較，即向心力表達式得以驗證．

(9)改變繩長l和小球圓周運動的半徑r，重復(fù)以上操作步驟，進行多次驗證．

3 本實驗裝置的特點

(1)利用光電門，巧妙地解決了圓錐擺運動中所形成的空間圓周半徑的確定難題．利用傳感器數(shù)字記錄完成圓周運動的次數(shù)N與所用時間t，便捷得到周期T．

(2)利用電動機的轉(zhuǎn)動帶動小球做圓錐擺運動，能夠補充由于空氣的摩擦產(chǎn)生的能量損失，從而得到較穩(wěn)定的勻速圓周運動．而且不會改變圓周運動的周期．

(3)操作簡單易學(xué)，實驗效果極佳，外型簡潔美觀，與教材要求相匹配，非常適宜課堂演示實驗教學(xué)．

4 本實驗裝置的拓展

本裝置也可以將測量的物理量轉(zhuǎn)化為測量高度，即在數(shù)值支架上安裝刻度尺和激光筆，然后通過激光定位小球的豎直高度或者繩長．

備注：該教具獲得浙江省創(chuàng)新實驗一等獎，已經(jīng)獲得國家專利(專利號：ZL2012-2-0741928.1)并且與教學(xué)儀器廠合作生產(chǎn).