简易向心力探索装置

简易向心力探索装置

李 杰

(四川省营山县第二中学四川 南充637700)

摘 要：针对“用圆锥摆粗略验证向心力表达式”实验的不足，设计出一简易向心力探索装置，该装置可方便改变做圆周运动物体的转速、运动半径、质量等参量，粗略验证向心力的表达式.为教师上课演示向心力表达式提供了方便.

关键词：向心力圆周运动装置

收稿日期：(2015-03-07)

1引言

“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”实验是《物理·必修2》(人教版)“向心力”一节中的内容，实验装置如图1所示[1].利用该装置进行实验在仪器的实验原理、实验构思、实验方法以及学生的可参与度等方面都给人以完美的感觉，而在进行实际操作时却发现有以下几点不妥：

图1　用圆锥摆验证向心力表达式

(1)在具体操作中要想使小球沿纸上的某个圆周运动很难，大多数情况下小球都做椭圆运动；

(2)在圆周运动时球与纸面间存在一定的距离，很难确定小球究竟在哪个圆周上运动，半径r的测量误差大；

(3)在圆锥摆中小球距离悬点的竖直高度h不好确定，测得的h误差大.

虽说该实验取名用了“粗略”二字,但基于以上3点原因，实验测量结果误差较大，达不到验证效果.

传统的向心力演示仪由于用挡板对小球的压力来提供向心力，致使向心力的显示装置、原理、结构都比较复杂，学生不易理解且向心力的显示效果不够明显,很难得出F与m，r，ω之间的定量关系.该装置需用手摇动，不仅笨重费力，教师如要将该装置搬入课堂进行教学演示也很不方便，因此该装置只适合放在实验室进行实验验证.所以为了方便高中物理“向心力向心加速度”的课堂教学，粗略验证向心力表达式，我们设计了简易向心力探究装置，目的是想通过本仪器用演示实验手段，采用粗略定量研究的方法，较好地解决了课堂教学中验证向心力公式实验时难以实现既简便又操作方便的难题.

2装置结构及制作

器材的准备：细铜管长30 cm左右或中性笔笔筒，细线，软尺，秒表，质量已知的大、中、小塑料球3个，弹簧测力计1个.

设计的简易向心力探索装置如图2所示.

图2　简易向心力探索装置结构

3实验原理与使用说明

3.1实验原理

由向心力的公式F=mrω2，想通过实验粗略测出F与m,r,ω之间的关系，必然要求能够自由地改变做圆周运动物体的质量、角速度和半径,并且要把由于质量、半径和角速度的改变而引起的向心力变化尽量显现出来，可见度要高，操作要方便.为此我们决定采用弹簧的弹力(即用弹簧对物体的拉力)来提供做圆周运动物体的向心力.

由F拉=F向=κΔx=mrω2可知,当m,r,ω三者之一发生变化时，弹簧的形变量Δx必然发生变化,这样,由于m,r,ω发生变化而引起的向心力的变化就可以直接通过弹簧的弹性形变量Δx显示出来，既直观形象，又便于测量.

3.2使用说明

一位学生握住细铜管并在头顶旋转甩动塑料球，塑料球做圆周运动，系塑料球细线的另一端连有悬垂的弹簧测力计，测力计由一位学生握住并负责读出实验时测力计的示数.当系统处于平衡状态时，向心力与弹簧测力计测得的拉力相等.

在塑料球开始做匀速圆周运动后，其他学生就可以用秒表测量塑料球的转动周期.学生也可以用软尺测量塑料球旋转的半径或者定量改变小球的旋转半径.通过更换塑料球的大小可改变其质量.该装置可进行以下3种实验，从而粗略探究出F与m,r,ω之间的关系.

(1)力与速度的关系.改变塑料球的转速,保持其质量和半径不变，确定F与ω的关系.

(2)力与半径的关系.改变轨道的半径保持转速和半径不变，确定F与r的关系.

(3)力与质量的关系.改变塑料球的质量,保持转速和质量不变，确定F与m的关系.

4结束语

意识来自于体验过程,而不是来自知识[2].物理学中,概念的形成、规律的发现、理论的建立,都有赖于实验,学好物理就要做好实验.所以在实验教学过程中教师要积极利用身边的一些材料,创造实验条件，并尽可能让学生参与其中，重视学生学习过程中的体验，从而提高教学效果.

参 考 文 献

1人民教育出版社课程教材研究所,物理课程教材开发中心.普通高中课程标准实验教科书 物理·必修2.北京:人民教育出版社,2009

2张前军. 向心力演示仪的改进. 物理实验,2010，30(12)：18～20