创新实验：多功能测量仪

刘英惠

摘 要： 在向心力验证的实验中发现，学生操作这个实验时普遍存在以下问题：1.用手动使小球做圆锥摆运动，由于空气阻力等多种因素的影响，圆锥摆的运动非常不稳定且由于学生的实验手法常常使小球的运动偏离圆周，使探究实验失去基本的科学性。2.运动周期的测量为观测n圈用秒表计时，耗时长误差大。3.在观察运动半径时由于摆动不稳定且观察时间较长经常在观察的时间内，小球的运动就发生了变轨现象造成观测不准。4.测量高度时要测量悬点距离小球旋转平面的高度，由于小球的运动平面距离纸面还有一定的高度就造成了测量的困难。

关键词： 观察与发现 创新与收获 多功能测量仪

人教版教材必修2在“向心力“这一节设计了一个实验：验证向心力的表达式，该实验曾为吉林省通化市的会考实验，此实验能培养学生多方面的实验素养和动手操作能力。但我在教学过程中发现学生独立完成这一实验遇到的困难较多，不能深刻体会实验的科学性，并且发现会考中有部分同学不能顺利完成实验，由此引发了我对这一实验的思考。

一、（原）器材与方法

书上设计的实验所需仪器为一悬吊钢球的铁架台，小球下方放置画有同心圆的白纸，以及秒表，刻度尺。所用实验方法：用手带动钢球，设法使它沿着白纸上某个圆周运动，然后通过秒表测量周期T，刻度尺测量小球绕着旋转的那个圆周的半径r，测量悬点距离圆心的高度h，再计算线速度v，使上述物理量满足m=mgtanθ=mg，从而验证向心力的表达式。

二、观察与发现

教学过程中通过观察发现，学生对这个实验进行操作时普遍存在以下问题：

1.用手动使小球做圆锥摆运动，由于空气阻力等多种因素的影响，圆锥摆的运动非常不稳定且由于学生的实验手法常常使小球的运动偏离圆周，使探究实验失去基本的科学性。

2.运动周期的测量为观测n圈用秒表计时，耗时长误差大。

3.在观察运动半径时由于摆动不稳定且观察时间较长经常在观察的时间内，小球的运动就发生了变轨现象造成观测不准。

4.测量高度时要测量悬点距离小球旋转平面的高度，由于小球的运动平面距离纸面还有一定的高度就造成了测量的困难。

三、创新与收获

我针对教学中的观察和感悟，对这一实验进行了创新与改造，组装了一个仪器。我给它命名为“多功能测量仪”。本实验仪以两个铁架台为框架在中间横梁上固定一小型电机，一侧铁架上安有激光笔，另一侧有刻度标尺，与激光笔配套使用，用以测量h，在摆球正下方配备光电门与带刻度的平面镜，用以测量周期与半径。

1.创新

（1）用小型电机带动圆锥摆，在实验过程中只需用手轻轻带动小球，给它一个动力，小球在一定时间内能做稳定的圆周运动，克服手动的不稳定性且易出错的弊端。

（2）采用先进电子计时器实现自动计时，使周期测量更方便、准确。克服圆周运动不易观察与测时误差较大的弊端。

（3）为了使高度的测量更准确便捷。利用激光笔轻易即能确定旋转平面的高度，在对面的刻度尺上打出激光点，标明悬点距离圆心的高度。

（4）采用带有刻度的平面镜放于小球下方，确定圆锥摆旋转的圆心，即可通过摆球在平面镜中的影像直接读取圆周的半径使测量变得方便又快捷。

2.收获

随着实验的深入不断突破创新中遇到的困境研发了该多功能测量仪，在演示过程中不断思考迸发出灵感的火花逐渐发现应用该实验仪可以完成新教材以下实验且适用环境广泛，并且发现物理实验室中的光电门不仅在几厘米范围内起作用，在距离拉长至20多厘米时仍然能很好地测量时间、速度等物理量，是一种新的尝试和突破。

能完成的实验：①验证向心力表达式。

②利用单摆验证机械能守恒定律。（激光笔打出高度差h，多功能计时器测量最低点速度，满足mgh=mv）

③测量重力加速度。（计时器测周期，激光笔测摆线长满足g=）

④模拟简谐运动的图像。（小球换成沙漏，或装有红墨水的小球，底座换成可以抽动的木板）

⑤探究影响摆周期的因素。

⑥适用的教学环境：课堂演示，高三复习（与摆有关的实验），学生操作。此实验仪因设计新颖巧妙、思想独特、因陋就简、就地取材，等多种优点曾获得省、市级一等奖。

参考文献：

[1]总主编：张大昌.普通高中课程标准实验教科书必修2。北京：人民教育出版社出版，2010.

[2]总主编：杜敏.普通高中课程标准实验教科书必修2教师教学用书.北京：人民教育出版社出版，2010.