浅析物理教学中一物多用之旋转平台篇

江苏省高邮第一中学(225600) 于 淼

1 旋转秋千

实验器材：不锈钢铁球(4个相同的小球、2个相同的大球)、细线、旋转平台、微型摄像头、热熔枪、热熔胶、直流可调电源。

实验过程：如图1所示，利用热熔胶将相应的小球粘贴在不同的位置，探究摆角(细线与竖直方向的夹角)与线长、圆周运动的半径、小球质量的关系(不同探究过程中为了平衡需要在对称的位置放置相同的小球)：①同一位置线长相同(此时圆周运动的半径相同)，A球质量不同，利用图1中的1、2两个球，接通电源后，可以发现1、2两个球的细线平行，即摆角相同；②同一位置线长不同(此时圆周运动的半径不同)，A球质量相同，利用图1中的3、4两个球，接通电源后，可以发现3、4两个球的细线不平行，球4摆角比较大；③不同位置线长相同(此时圆周运动的半径相同)，A球质量相同，利用图1中的4、5两个球，接通电源后，可以发现4、5两个球的细线不平行，球4摆角比较大。在实验过程中可以将微型摄像头固定在平台的适当位置再投影到电脑上来观察小球的运动。

实验结论：对小球进行受力分析，可得F向=F合=mgtanθ=mω2r，经过化简可得：gtanθ=ω2r，其中r是圆周运动的半径，有tanθ=ω2r/g。可见在转速相同的情况下实验，摆角与圆周运动的半径有关(半径越大摆角越大)，与小球质量和线长无关。实验还可以发现对同一个球，转速变大，摆角也变大，摆角与转速有关。

2 脱水机

实验器材：大号可乐瓶、旋转平台、湿毛巾、小刀、热熔枪、热熔胶、直流可调电源。

实验过程：如图2所示，用小刀将可乐瓶截为两部分，取可乐瓶的下部分，并在瓶身上挖出一定量的小孔，再利用热熔胶将其固定在旋转平台上，将湿毛巾(水不要太多)放到可乐瓶中，接通电源，使平台以较小的转速旋转，可以发现没有水从可乐瓶中漏出，增大转速，可以看到有水漏出(用有颜色的水可以使实验效果更明显)。

实验结论：平台旋转后，毛巾和水做圆周运动，转速较小时，毛巾对水的摩擦力充当向心力，水不会漏出，当转速增大到一定时，毛巾对摩擦水的力小于水需要的向心力，水就会漏出，即水做离心运动，这就是洗衣机脱水的原理。

3 圆周运动的速度方向

实验器材：不同质量的铁球、电磁铁、平台(不旋转)、印泥、白纸、热熔枪、热熔胶、剪刀、直流可调电源。

实验过程：如图3所示,在平台上固定好白纸，将电磁铁固定在转轴上，将铁球沾上印泥，吸附在电磁铁上。打开电源电磁铁和铁球随着转轴一起旋转，断开电磁铁的电源，发现小球沿着圆周的切线方向飞出。换不同质量的铁球做实验，可以得到相同的结论。

实验结论：每一个小球都沿着切线方向飞出，说明铁球做圆周运动的线速度是沿着圆该点的切线方向。

若在上面实验中让铁球、电磁铁和平台一起旋转(逆时针转)，在断开电源时(平台保持原来的转速)发现铁球不是沿切线方向飞出，做了2次实验的轨迹都是曲线，由实验得到的运动轨迹可以判定做的是离心运动。原因是铁球向外运动时，铁球的线速度比所在位置的平台线速度小，所以相对平台向后运动。

4 离心运动

实验器材：3个材质相同的砝码(2个相同的小砝码、1个大砝码)、刻度尺、可转动的平台、直流可调电源。

实验过程：如图4所示，将3个砝码放到平台上，其中砝码1质量大，砝码2、砝码3质量相同，砝码1和砝码2离圆心的距离相等，砝码3离圆心的距离较大。将电动机接入电源，接通电源，使平台的转速逐渐增大，发现砝码3最先向外滑动，砝码1和砝码2同时向外滑动。

实验结论：砝码做匀速圆周运动的向心力由静摩擦力提供,即有mω2r=f静。当静摩擦力(可以认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力)小于所需的向心力mω2r>μmg时，即ω2r>μg，就会做离心运动；可以看到是否做离心运动与半径有关，与质量无关。砝码3的半径最大，所以砝码3最先滑动；砝码1和砝码2半径相同，所以两个同时滑动。

5 双绳模型

实验器材：穿孔的铁球、细绳、打孔的细杆、可转动的平台、直流可调电源。

实验过程：如图5所示，将有孔的细杆固定在旋转平台的中心，用细绳连接小球。①一根绳与孔1相连，另一根绳与孔2相连，接通电源后电动机带动细杆旋转，可以发现上面的绳被拉直，而下面的绳弯曲，转速增加到一定时，两绳都被拉直，转速再增大时，上面的绳弯曲，下面的绳被拉直；②一根绳与孔1相连，另一根绳与孔3相连，接通电源后电动机带动细杆旋转，可以发现上面的绳被拉直，而下面的绳弯曲，逐渐增加转速，下面的绳被逐渐拉直，转速再增大时，两绳都被拉直。

实验结论：①转速比较小时，小球的向心力由上面的绳提供(上面的绳被拉直，而下面的绳弯曲)，转速增大到一定时，两绳同时提供向心力(两绳都被拉直)，再增加转速时，小球的向心力由下面的绳提供(上面的绳弯曲，下面的绳被拉直)；②转速比较小时，小球的向心力由上面的绳提供(上面的绳被拉直，而下面的绳弯曲)，转速增大一定后，两绳同时提供向心力(两绳都被拉直)。

上面利用旋转平台所设计的5个圆周运动的创新实验，效果都非常明显，有利于学生对几种圆周运动的理解和学习。这5个实验实现了旋转平台在物理教学中一物多用，充分发挥了其器材的功效。