水平面内圆周运动的实验设计

◇ 山东 李怀强

(作者单位：山东济南市长清中学)



水平面内圆周运动的实验设计

◇ 山东 李怀强

高中物理在“力与运动”部分重点研究了合力为0的平衡、合力恒定的匀变速、合力变化的变加速3种运动.圆周运动是典型的变加速运动,它在鲁科版教材上出现4次,跨越了2本教材、2个学期,其跨越的范围之宽、时间之长、所占篇幅之大及重要程度显而易见．由此,足以看出圆周运动在整个高中物理中的地位,同时也决定了学生对它的认识必然要走一个螺旋式上升的路子．它在鲁科版教材上的第一次出现,是让学生理解圆周运动的基本规律并能应用,以后的3次出现都是应用(天体运动、电场、磁场)．因此,一开始学生对圆周运动的认识、基本规律的理解与掌握就是根基,特别是有关圆周运动的实验探究,其地位和作用不能忽视．

学生对圆周运动因司空见惯而熟悉,因体验缺乏而陌生,相关的分组实验实在太少．笔者对经典的圆周运动进行了综合实验设计,通过反复改装,最终定型圆周运动综合实验平台(如图1所示)．该平台可以完成多项水平面内典型圆周运动实验,便于引导学生将理论与实践有机结合,提高理论应用能力以及实验、实践的创新能力．

图1

1 技术方案

图2

底座上安装55 W电机,并将它与上部旋转系统进行有效连接,透明槽的安装是为了模拟静摩擦力提供向心力、离心现象和侧面附着现象(即侧面弹力提供向心力，如图2所示),而且增强了观察的可视效果．另外还有测量系统和电路系统．为了保证安全,设置了3个开关,1个电源控制开关、2个调速开关(二者串联)．

2 平台功能

1) 模拟侧面附着现象，即侧面弹力提供向心力的实例．这一现象虽然简单,可是如果没有足够大的转速,足够大的旋转半径,根本不可能实现．在该实验平台上,当旋转周期达到0.4 s时,滑块就可以附着在侧面上而不掉下来．当转速缓慢降低,滑块会沿侧面滑下,效果非常明显．通过实验观察,学生很容易就能分析出滑块的受力,明确向心力的来源．在该功能中,创新之处在于注射器活塞的应用,将支架与活塞连接,将活塞提起,支架支撑滑块,待高速旋转后,将活塞推下,但滑块并没有落下,而是附着在透明槽侧面继续旋转．

2) 模拟水平面内静摩擦力提供向心力的实例．金属块放在透明水槽内,随透明槽一起旋转．

3) 模拟离心现象．当透明槽转速足够大时,金属块会做离心运动．

4) 模拟圆锥摆运动．将金属球通过细线挂在金属杆上,观察随转速增大,摆线摆角的变化情况．体会金属球的受力,分析向心力的来源．

5) 通过控制变量法,较精确地验证向心力、质量、转速、半径的关系．这一功能是该平台最显著的特点,可以进行学生分组实验．

3 平台优势

1) 该实验平台功能较多,可以完成多项水平面内的典型圆周运动．

2) 实验平台性能稳定、效果明显、可视性强(槽透明便于观察)．

3) 实验安全可靠,集成度高,拆装方便．

学生对重要物理规律的认知都要经过螺旋式上升的方式进行,在认知过程中实验探究与体验是基础,这是物理学科特点的要求,同时也是以创新精神和实践能力培养为中心的素质教育的要求．创新思维能为学生的成功创造更多的机会和途径．该实验平台的创新设计与使用,可丰富学生的实验、实践经历,强化他们对圆周运动规律的体验与感悟,提高实验技能和素养．同时引导和培养学生良好的创新意识、创新思维,提高他们的思维品质,掌握科学的思维方法．

(作者单位：山东济南市长清中学)