向心力定量演示仪的创新设计

2019-07-08陆英

物理教学探讨 2019年5期

陆英

摘要：“向心力”是高中物理教學的难点之一。传统的手摇式向心力演示仪仅能进行半定量探究，难以定量地探究向心力与半径、角速度和质量之间的关系。笔者利用简单的材料，设计出一种操作简单、原理直观、读数方便、误差较小的向心力定量演示仪，使学生能够通过探究法，定量研究与向心力大小有关的物理量，加强学生对向心力公式的认知，提高教学效果。

关键词：向心力;器材创新;探究法;定量研究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）5-0048-3

按照2018年江苏省高中物理实验教学的要求，高一学生应当通过分组实验，探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。笔者总结多年的教学经验，结合传统向心力实验器材，设计了新的实验工具，以更好地提高本知识点的教学效果，强化学生对向心力的掌握。

1 实验器材的设计

一直以来，向心力都是非常重要的知识点，同时也是教学的难点，特别是如何让学生掌握向心力公式F=mω2r中几个物理量之间的关系。原教材中的实验先后用到两种器材，分别是手摇式向心力演示仪和圆锥摆向心力演示仪，但这两种器材均存在较大的不足。其中，手摇式向心力演示仪存在以下一些不足：实验时不能保证物体做匀速圆周运动，实验器材的结构较为复杂，实验不能精确计算力的数值，只能实现半定量探究。圆锥摆向心力演示仪存在以下一些不足：只能验证向心力表达式，而不能进行探究，实验时不能保证小球做匀速圆周运动，小球运动过程中的运动半径变化较大，用秒表测量运动周期的测量误差较大。

为此，笔者设计了新实验器材进行改进。

1.1 设计理念

新实验器材可以实现以下三项功能：（1）根据向心力公式F=mω2r， F、m、ω、r四个物理量能够通过实验装置较为直观地读出，且误差极小。（2）质量m、角速度ω和半径r其中两个物理量不变的情况下，第三个物理量自由可调，特别需要强调的是，ω和r在匀速圆周运动的实验过程中，需要能在一段时间内保持一个稳定的数值。（3）实验器材的结构较为简单，即使是第一次接触器材的学生，也能轻松上手。

1.2 实验装置及原理

实验装置的设计思路如图1所示，装置由电动机、托盘、带刻度的透明凹槽、定滑轮、小球、钩码、电子天平和细绳组成。当接通电源、启动开关后，电动机开始带动托盘和凹槽做匀速转动，随即小球开始在凹槽内做匀速圆周运动，并对绳子产生拉力，经过三个定滑轮改变力的方向，对右侧的钩码产生向上的拉力，引起电子天平读数的变化。

F=mω2r公式中的四个物理量通过以下方式获取：小球在静止时，电子天平显示钩码的质量，小球做匀速圆周运动时，电子天平读数发生变化，通过电子天平显示的数值差Δm，可计算拉力即向心力的大小F=Δmg;小球质量m通过电子天平测量;小球转动的角速度ω，可通过转速仪读取;匀速圆周运动的半径r，可通过凹槽上的刻度读取。

1.3 注意事项

因细绳存在形变问题，故电动机要能双向转动，以释放形变;托盘上的定滑轮需固定在凹槽上，小球在做匀速圆周运动时，半径保持在一个稳定的数值;调整半径大小，可通过在钩码上方的细绳上打结来实现;需多准备几个质量不同的小球，调整m的数值;电动机能够实现无极变速，调整ω的大小，并准备一个转速计读取ω的数值。

1.4 实验器材的实物图（如图2所示）

2 实验方法及数据展示

通过控制变量法，进行实验探究，观察F与其余三个物理量m、ω、r的关系。并通过Excel进行绘图展示。

保证质量m和角速度ω不变，改变半径r，进行多组实验，实验数据如表1，将向心力F和半径r的数值录入电脑，形成F-r图，如图3。

保证半径r和角速度ω不变，改变小球质量，进行多组实验，实验数据如表2，将向心力F和质量m的数值录入电脑，形成F-m图，如图4。

保证半径r和质量m不变，改变角速度ω，进行多组实验，实验数据如表3。在数据处理时，可以同时将角速度ω、角速度的平方ω2分别与F进行对比，形成F-ω图和F-ω2图，如图5、图6，让学生更好地理解：F与ω2是线性关系，F与ω是非线性关系。

3 评价与说明

3.1 优点

（1）新实验器材使操作者能够非常直观地测量向心力公式中所有的物理量，且测量误差非常小。

（2）符合新的高中物理实验教学要求，使学生能够通过分组实验，探究向心力F的大小与半径r、角速度ω、质量m的关系。一方面加强了学生对知识点的理解和掌握，另一方面培养了学生的动手能力和处理实验数据的能力，进而提升学生对物理的学习兴趣。