基于DIS實(shí)驗(yàn)“探究影響向心力大小因素”的教學(xué)設(shè)計(jì)

趙登峰

摘? ?要：傳統(tǒng)向心力演示儀器只能定性研究向心力大小與哪些因素有關(guān)，且誤差較大。利用DIS實(shí)驗(yàn)可以定量分析影響向心力大小因素。通過控制變量法，結(jié)合DIS與計(jì)算機(jī)軟件可以有效地分析影響向心力大小因素，在課堂中可以提高教學(xué)有效性。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn); 向心力;影響因素

在高中物理中，向心力是圓周運(yùn)動中最核心內(nèi)容，向心力大小與哪些物理量有關(guān)？向心力公式的導(dǎo)出等對學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動至關(guān)重要。教材中通過傳統(tǒng)向心力演示儀器定性得出結(jié)論與公式，實(shí)驗(yàn)誤差較大。結(jié)合學(xué)校實(shí)際，通過DIS實(shí)驗(yàn)可以定量地測量實(shí)驗(yàn)中向心力大小。具體可以通過控制變量法來開展實(shí)驗(yàn)，利用DIS 實(shí)驗(yàn)更加易于向心力大小公式的理解，可以提高課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

1? 實(shí)驗(yàn)儀器介紹

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 ，主要有底座、支架、力傳感器、光電門、轉(zhuǎn)動桿、平衡金屬桿、掛鉤、三種規(guī)格（不同質(zhì)量）金屬小物塊。

2? 實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)之前，結(jié)合圓周運(yùn)動一些基本知識，可知影響圓周運(yùn)動的物理量有物體質(zhì)量m、圓周運(yùn)動半徑r、角速度ω、線速度大小v等，而線速度大小v可以通過半徑r與角速度ω加以轉(zhuǎn)換，因此實(shí)驗(yàn)中，我們用控制變量法探究向心力大小F與物體質(zhì)量m、圓周運(yùn)動半徑r、角速度ω的關(guān)系。

2.1? 保持物體質(zhì)量m、圓周運(yùn)動半徑r，探究向心力F大小與角速度ω的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將質(zhì)量m為0.03 kg的小物體固定好，設(shè)置半徑r為0.1 m。然后轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)裝置，轉(zhuǎn)動時(shí)角速度會有不同，此時(shí)可以記錄向心力大?。ㄈ鐖D2）。點(diǎn)擊二次擬合，可以得到如圖3圖象。可以從圖3中看出，在誤差允許的范圍內(nèi)，得到結(jié)論：在m、r一定時(shí)，向心力的大小與ω2成正比。

2.2? 保持物體質(zhì)量m、角速度ω，探究向心力F大小與圓周運(yùn)動半徑r的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將質(zhì)量m為0.02 kg的小物體固定好，設(shè)置半徑r為0.03 m、0.05 m、0.07 m、0.09 m、0.11 m、0.13 m。然后轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)裝置，轉(zhuǎn)動時(shí)角速度會有不同，此時(shí)可以記錄向心力大小。得到如圖4圖象。

先點(diǎn)擊選擇ω值，再點(diǎn)擊一次擬合，可以得到如圖5圖象?？梢詮膱D5中看出，在誤差允許的范圍內(nèi)，得到結(jié)論：在m、ω一定時(shí)，向心力的大小與半徑r成正比。

2.3? 保持圓周運(yùn)動半徑r、角速度ω，探究向心力F大小與物體質(zhì)量m的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將質(zhì)量m為0.01 kg的小物體固定好，設(shè)置半徑r為0.1 m，然后轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)裝置，轉(zhuǎn)動時(shí)角速度會有不同，此時(shí)可以記錄向心力大小。第二次試驗(yàn)時(shí)，將質(zhì)量m為0.02 kg的小物體固定好，設(shè)置半徑r為0.1 m，重復(fù)試驗(yàn)。第三次試驗(yàn)時(shí)，將質(zhì)量m為0.03 kg的小物體固定好，設(shè)置半徑r為0.1 m，重復(fù)試驗(yàn)。得到如圖6圖象。

先點(diǎn)擊選擇ω值，再點(diǎn)擊一次擬合，可以得到如圖7圖象。可以從圖7中看出，在誤差允許的范圍內(nèi)，得到結(jié)論：在r、ω一定時(shí)，向心力的大小與m成正比。

3? 小結(jié)

本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，首先將向心力大小由傳統(tǒng)的定性感知變?yōu)橹庇^的定量分析。其次，從物理實(shí)驗(yàn)方法上，本次實(shí)驗(yàn)深入體現(xiàn)控制變量法。最后，通過傳感器加計(jì)算機(jī)可以將很多不易呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象直觀體現(xiàn)出來，也就是利用信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)的融合，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

該實(shí)驗(yàn)裝置不能控制物體做勻速圓周運(yùn)動的線速度大小，因此無法直接探究向心力大小與線速度大小關(guān)系。只能通過轉(zhuǎn)換，間接推出。今后如能控制線速度大小，再來探究向心力大小與其關(guān)系將更完整。