探究最佳转弯速率演示器

2020-03-31郑国利

中国科技教育 2020年10期

郑国利

研究背景

高中《物理》（必修2）第5章第7节“生活中的圆周运动”，涉及汽车、火车在水平面、倾斜面转弯等圆周运动问题，并要求运用牛顿定律进行定性和定量分析。现行教材是让学生观看汽车、火车、飞机转弯的图片或视频，然后加以理论分析和讨论。在教学中，需要帮助学生理解哪些力提供了汽车或火车转弯时所需的向心力；探究汽车或火车在不同倾角的路面上或不同转弯半径的路面上转弯时，以多大速率运动才能使得对轮子的磨损最小，或如何防止出轨等问题。但当前缺乏能较好地展示出此类现象的演示教具。为此，我设计制作了“探究最佳转弯速率演示器”。

设计方法

本项目所述汽车和火车均采用汽车轮子模型和火车轮子模型代替，以减小汽车或火车体积，更好地在课堂中演示汽车或火车转弯原理。

演示器的动力部分选用减速电机，可遥控式调节电机转速。在减速电机的转轴中心孔内插有1根竖直支撑杆，并用1条短滑轨夹住电机的转轴。短滑轨上另套装有1个半圆弧形支撑架，支撑架上固定1条长直旋转杆。长直旋转杆的一端安装无线力传感器和平衡锤，另一端伸长出去并安装1个平台。该平台的旋转半径可以任意调节，平台上安装有火车的轨道模型，在两轨道模型之间设置为汽车的公路模型（路面的摩擦系数可以改变），实现演示汽车与火车转弯现象时共用同一场地。在轨道模型内侧和外侧安装有声光报警器，可探测汽车或火车转弯时是否脱轨。在平台外侧插上悬空支架时，可使汽车或火车悬空，利用无线力传感器可探究它们的最佳转弯速率。整个支撑架和与之固定的旋转杆可一起绕竖直支撑杆的顶点在竖直平面转动，从而实现调节转弯场地与水平面倾角的功能。

科学原理和方法

根据圆周运动知识，当汽车或火车以安全速率转弯时，车轮底面与路面间无相对滑动；当汽车或火车转弯速率过小或过大时，它们将作近心运动或离心运动，即发生出轨现象。

主要材料

减速电机1台，电机电源及转速显示器1套，无线力传感器1套，带短滑轨的半圆弧形支撑架1只，不锈钢直杆1根，组装有声光报警器的平台1个（汽车、火车共用），汽车轮子模型和火车轮子模型各1只，细钢丝1根，悬空支架1只，平衡重锤1组，水平仪1只（见图1）。

教具主要功能

演示或探究在某一倾角的路面上，机车以不同的半径转弯时的安全速率范围。

演示或探究以某一半径转弯时，机车在不同倾角的路面上的安全速率范围。

探究机车以某一半径转弯时，或者在某一倾角的路面上转弯时的最佳转弯速率。

使用方法

本教具（图2）可进行以下演示。

观察汽车或火车脱轨现象

将电机底座调节水平后，转动半圆弧形支撑，转弯场地的路面成某一倾角，滑动平台，选择好转弯半径，打开声光报警器开关。开启电机的遥控电源，利用遥控器调节电机转速，观察电机转速和声光报警器是否报警。当电机转速较小时，汽车轮子或火车轮子模型可能对内轨产生压力，这时内侧的声光报警器报警；当电机转速超过某一数值时，对汽车轮子或火车轮子会对外轨产生压力，这时外侧的声光报警器报警。

探究最佳转弯速率

把汽车或火车轮子模型悬空，并旋紧锁定螺丝，使之固定在细钢丝上。打开无线力传感器发射模块开关，将无线接收模块及数据采集器与电脑连接好，并打开配套软件。以下操作方式与上述观察汽车或火车脱轨现象相似，无线力传感器能精确地探知汽车轮子或火车轮子在不同倾角的路面或转弯半径下产生近心运动或离心运动的受力情况。调节电机转速，当无线力传感器受到的力为0时，从转速表读出的转速就近似等于该情况下的最佳转弯速率。图3为描绘出的受力与转速变化关系图。