定量探究向心力实验仪

2012-02-01王长江任新成

物理实验 2012年7期

关键词：向心力圆盘蓝牙

王长江，任新成

（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000）

1 以往实验装置存在的问题

1）人教版高中《物理》共同必修2第23页“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”的实验设计，经教学实践发现存在着缺陷[1－3]，概括起来有：

a.在实验操作中很难使小球在纸上作圆周运动，小球大多作椭圆运动，并且由于受空气阻力作用小球运动的半径越转越小.

b.小球不是质点，有一定体积，作圆周运动时，与纸面间存在一定距离，无法精确确定在哪个圆周上运动，半径r难以确定，测量误差大.

c.在圆锥摆中小球距离悬点的竖直高度h不好确定，h的测量误差大.

d.θ角不能很大，否则r和h误差更大，没有验证的普遍性.

对于以上问题，研究者提出了一些改进的意见和相应的实验设计，但只能做到粗略验证向心力的表达式，无法直接探究质量、半径、角速度与向心力之间的定量关系.

2）沪科版高中《物理》共同必修2第28页“用实验验证向心力公式”的实验设计，解决了以上2个问题，可以利用实验仪器直接验证向心力与物体质量、角速度和运动半径关系，但也存在如下不足：

a.横杆上的重物与滚轮之间的摩擦造成实验误差较大.

b.提供向心力的弹簧，其弹性形变性能也会造成实验误差较大.

此实验装置的优点是操作简单，可以定量研究，并且现象直观；缺点是误差较大.

2 利用废旧器材和电子模块制作“向心力实验仪”

针对以上2种实验装置存在的问题，我们认为：第一类实验装置由于在实验设计上存在问题，无论如何改进，都只能粗略验证向心力的表达式；第二类实验装置可以进一步改进，减小误差.考虑到利用身边的器材制作教具既可以完成实验，又可以充分调动学生学习的积极性，因此，尝试利用废旧电器、测力传感器、降压稳压模块、处理传感器信号的AD转换模块以及蓝牙信号发送模块等器材制作向心力实验仪.

2.1 仪器制作

图1所示为该实验装置实物图.实验装置主要由转动装置、圆盘、测力传感器、简式电脑计数器（本实验中用转动惯量实验仪替代）、降压稳压模块、处理传感器信号的AD转换模块以及蓝牙信号发送模块等和外支架等器件组成. 1）转动装置由驱动电机与转动横轴组成.将废旧不用的型号为FS－40落地电风扇的网罩及风叶拆掉，取出电动机、调速装置及其附件；用2个铁架台和1个金属杆将电动机轴承竖直放置.驱动电机有4个调速按钮可以用来控制转速.

图1 向心力实验仪实物图

2）测速装置.利用简式电脑计数器或转动惯量测试仪（本实验利用转动惯量测试仪的电脑计数器）来完成.

3）准备好圆盘上测力传感器、降压稳压模块、处理传感器信号的AD转换模块以及蓝牙信号发送模块等器材.

将旧脸盆的底部取出，作为负载器材的圆盘.在圆盘的上表面，分别对称地固定1节干电池和1个测力传感器.

在圆盘的下表面（如图2所示），分别固定降压稳压模块、处理传感器信号的AD转换模块以及蓝牙信号发送模块.实验时，圆盘转动，固定在圆盘上的蓝牙信号发送模块发送信息，蓝牙接收模块（采用USB插口）与电脑相连，用于采集实验数据.

图2 圆盘的下表面

2.2 实验过程

1）转速测定.在圆盘上粘1个拨片，其位置刚好可以通过置于旁侧的光电门.光电门传感器与信号接收处理仪，通过传感器将拨片的挡光信号传入接收处理仪，显示拨片挡光20次的时间.根据线速度与角速度的换算公式即可计算出电动机旋转的角速度.

2）向心力的测量.在圆盘的上表面固定测力传感器，传感器前面有个小槽，实验时把不同质量的物体放在槽中，随着圆盘的转动，物体会紧紧贴在传感器上，所以物体的运动半径就是传感器与圆盘圆心的距离，通过改变传感器距离圆心的位置，实现了改变和测量半径；传感器的另一个作用是测量加在传感器所在面上的力的大小，这块电池和圆盘下表面固定的电路板的作用是把传感器测得的信号无线发送，然后在计算机上连接该接收模块便可以接收得到力的数据.