基于DIS实验“探究影响向心力大小因素”的教学设计

赵登峰

摘   要：传统向心力演示仪器只能定性研究向心力大小与哪些因素有关，且误差较大。利用DIS实验可以定量分析影响向心力大小因素。通过控制变量法，结合DIS与计算机软件可以有效地分析影响向心力大小因素，在课堂中可以提高教学有效性。

关键词：DIS实验; 向心力;影响因素

在高中物理中，向心力是圆周运动中最核心内容，向心力大小与哪些物理量有关？向心力公式的导出等对学习圆周运动至关重要。教材中通过传统向心力演示仪器定性得出结论与公式，实验误差较大。结合学校实际，通过DIS实验可以定量地测量实验中向心力大小。具体可以通过控制变量法来开展实验，利用DIS 实验更加易于向心力大小公式的理解，可以提高课堂实验教学的有效性。

1  实验仪器介绍

实验装置如图1 ，主要有底座、支架、力传感器、光电门、转动杆、平衡金属杆、挂钩、三种规格（不同质量）金属小物块。

2  实验过程

在实验之前，结合圆周运动一些基本知识，可知影响圆周运动的物理量有物体质量m、圆周运动半径r、角速度ω、线速度大小v等，而线速度大小v可以通过半径r与角速度ω加以转换，因此实验中，我们用控制变量法探究向心力大小F与物体质量m、圆周运动半径r、角速度ω的关系。

2.1  保持物体质量m、圆周运动半径r，探究向心力F大小与角速度ω的关系

实验时，将质量m为0.03 kg的小物体固定好，设置半径r为0.1 m。然后转动实验装置，转动时角速度会有不同，此时可以记录向心力大小（如图2）。点击二次拟合，可以得到如图3图象。可以从图3中看出，在误差允许的范围内，得到结论：在m、r一定时，向心力的大小与ω2成正比。

2.2  保持物体质量m、角速度ω，探究向心力F大小与圆周运动半径r的关系

实验时，将质量m为0.02 kg的小物体固定好，设置半径r为0.03 m、0.05 m、0.07 m、0.09 m、0.11 m、0.13 m。然后转动实验装置，转动时角速度会有不同，此时可以记录向心力大小。得到如图4图象。

先点击选择ω值，再点击一次拟合，可以得到如图5图象。可以从图5中看出，在误差允许的范围内，得到结論：在m、ω一定时，向心力的大小与半径r成正比。

2.3  保持圆周运动半径r、角速度ω，探究向心力F大小与物体质量m的关系

实验时，将质量m为0.01 kg的小物体固定好，设置半径r为0.1 m，然后转动实验装置，转动时角速度会有不同，此时可以记录向心力大小。第二次试验时，将质量m为0.02 kg的小物体固定好，设置半径r为0.1 m，重复试验。第三次试验时，将质量m为0.03 kg的小物体固定好，设置半径r为0.1 m，重复试验。得到如图6图象。

先点击选择ω值，再点击一次拟合，可以得到如图7图象。可以从图7中看出，在误差允许的范围内，得到结论：在r、ω一定时，向心力的大小与m成正比。

3  小结

本次实验教学中，相比传统实验，首先将向心力大小由传统的定性感知变为直观的定量分析。其次，从物理实验方法上，本次实验深入体现控制变量法。最后，通过传感器加计算机可以将很多不易呈现的物理现象直观体现出来，也就是利用信息技术与物理实验的融合，提高物理实验教学效率。

该实验装置不能控制物体做匀速圆周运动的线速度大小，因此无法直接探究向心力大小与线速度大小关系。只能通过转换，间接推出。今后如能控制线速度大小，再来探究向心力大小与其关系将更完整。