向心力大小实验的设计

江小东

(新余市第四中学 江西 新余 338000)

向心力大小演示实验是高中物理教学中一个很重要的演示实验.在人教版物理教材中，采用圆锥摆粗略验证向心力表达式，该实验是利用铁架台、小球、细线、秒表、天平、刻度尺等器材完成的.实验时，小球在水平面内做匀速圆周运动，用刻度尺测量出小球做圆周运动的半径r和小球距悬点的竖直高度h，利用天平、秒表分别测量出小球的质量m和运动n圈的时间t，得出指向圆心的合力为

小球做圆周运动的向心力为

通过比较F合与Fn的大小来验证向心力大小的表达式.

在教学实践中，笔者发现上述实验存在如下问题.

(1)作为一个验证性的课堂演示实验，在操作上要使小球做匀速圆周运动困难很大，从而影响半径r及时间t内运动的圈数n的测量.

(2)本实验是一个验证性实验，缺乏探究的过程，不利于培养学生的科学素质.

针对以上情况，笔者对该实验的装置作了改进，不但结果精确、直观，而且操作方便.实验设计如下.

1 实验原理

本实验演示仪是研究重物绕中心轴转动.利用力传感器测量重物做圆周运动的向心力，利用天平、刻度尺、光电传感器分别测量重物的质量m，做圆周运动的半径r及角速度ω.实验过程中，只要能得出向心力Fn与质量m成正比，与半径r成正比，与角速度的平方ω2成正比，就可以通过实验得到向心力的表达式.

2 实验装置

实验装置如图1所示，其结构说明如下.

图1

(1)利用减速电动机，使皮带带动转轴转动.减速电动机与直流电源相连，直流电压在2～4 V.

(2)可读取长度的水平直轨道两侧分别用细杆与重物和配重相连，利用等臂杠杆将重物所受拉力转化为细杆对力传感器的拉力.

(3)力传感器与DIS数据分析系统相连，可直接显示力的大小.

(4)光电传感器与DIS数据分析系统相连，可直接显示挡光条挡光的时间，由挡光条的宽度和挡光条做圆周运动的半径，可得到重物做圆周运动的角速度.

3 实验过程及数据处理

(1)在保证重物的质量m和做圆周运动的角速度ω不变的情况下，改变重物做圆周运动的半径r，得到几组力F与半径r的数据，记录到表1中.

表1 力F与半径r的测量数据

将实验数据导入到向心力实验数据分析图像中，形成图2.

图2

(2)在保证重物做圆周运动的半径r和角速度ω不变的情况下，改变重物的质量m，得到几组力F与质量m的数据，记录到表2中.

表2 力F与质量m的测量数据

将实验数据导入到向心力实验数据分析图像中，形成图3.

图3

(3)在保证重物的质量m和做圆周运动的半径r不变的情况下，改变重物的角速度ω，得到几组力F和角速度ω的数据，记录到表3中.

表3 力F与角速度ω的测量数据

将实验数据导入到向心力实验数据分析图像中，形成图4.

图4

由于F-ω图像(图4)不是一条直线，拟合成F-ω2图像(图5)，该图像为一条直线.

图5

由以上实验过程，可得到F∝r,F∝m,F∝ω2，从而,引导学生通过实验探究得到向心力表达式.

4 实验中应注意的问题

(1)安装实验装置时,应保证直轨道处于水平状态，从而有利于转动时处于稳定状态.

(2)实验时重物质量应大一些，以减少阻力对实验的影响.

(3)在保证实验能顺利进行的情况下，转动角速度应尽量大一些，以减小实验误差.

(4)实验过程中，每进行完一次实验，应断开电源，以延长减速电动机的工作寿命.