向心力公式验证仪的创新设计，本文主要内容关键词为：向心力论文,公式论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
现行的高中物理教材有关匀速圆周运动教学中，对于向心力、向心加速度的探究或者公式的验证，都用到了规定的教学仪器或者是不同的自制仪器或装置。然而现有部分仪器或装置（包括部分申请专利的装置）在运行过程中都存在一些问题。比如，测力不准确、通过调整实验条件寻找剩余物理量的临界值、公式中涉及的物理量不便于改变……导致实验结果精确度不高。为此，我做了如下新的设计。
一、实验装置（见图1）
图1 仪器外观
仪器主体由仪器底座、水平刻度尺、转动臂及附件、研究小车、固定臂、弹簧测力计等几大部分及其相关配件组成。
二、制作方法
1.底座
底座由水平调节螺母支撑，利于调节仪器使底座水平。底座内部包括学生用电机和电机调速电路（见图2），以及水平刻度尺垂直升降装置。底座上表面装有水准仪、参考指针、光电门安装槽。
图2
2.水平刻度尺
水平刻度尺的零刻度线与转动中心对齐。刻度面稍微倾斜，利于画笔在刻度面上划下痕迹，方便师生读取刻度。
3.转动臂及其附件
转动臂由调速电机带动匀速转动，转动臂上有粗略刻度，用于根据小车大致转动半径计算确定配重位置。转动臂采用凹槽型设计（如图3），且凹槽带有画笔活动槽。凹槽底面建议用钢化玻璃处理，以减小小车和凹槽之间的摩擦。末端带有挡光片，用于辅助测量转速。
图3
4.研究小车
研究小车带有凹槽，可放置不同质量的附属重物，用于改变实验中研究的转动质量M。画笔采用十字造型，从画笔活动槽插入安装到小车上，防止小车脱离凹槽，保证实验安全。
5.固定臂
整个固定臂被固定于仪器底座上，末端采用螺母固定弹簧测力计，以便调整测力计和根据实验要求更换不同精度的测力计。
6.弹簧测力计
测力计的下端使用钮环，用于减小转动臂转动过程中细绳的扭转，防止细绳扭转而影响实验过程中对实际转动半径的精确测量。
三、使用方法
1.实验准备
①仪器的调平：调节底座螺丝，使水准仪调至水平。
②测量实验研究的实际质量M：安装前用天平测量研究小车、画笔以及附属重物的整体质量M，再安装到转动臂上，固定画笔保证实验安全。
③初步确定转动半径，将细绳固定好，估算并确定配重位置，旋紧测力计上的固定螺母。
④若有光电测速装置，将光电门安装在光电门安装槽上并调好位置。
⑤测力计指针归零：估算选择相应量程的测力计，将测力计调整成为竖直状态固定，在细绳松弛状态下调节测力计使指针归零。
⑥关闭电源开关，将调速旋钮调至最低转速处，接上电源准备实验。
2.实验步骤
(1)打开电源进行实验：缓慢调节调速旋钮并初步确定转动臂转速。
(2)数据的获得：待到电机转动稳定之后进行（其间不得调节转速、半径、质量）。
①读取向心力F：示数稳定后直接从测力计上读取并记录。
②转速ω的测量：
采用参考指针测量转速：待到电机转速稳定后，用秒表测量转动臂经过参考指针上方一定次数（次数较多为好）所用时间，通过计算求得转速ω（这样可以简单、方便而又准确地测得转速）。
采用光电测速装置测量转速：当整个转动稳定之后打开数据采集器，开始采集相关数据，经过仪器自动处理可以直接读出转速ω。
③转动半径R的测量：在电机转动稳定后，缓慢顺时针方向调节描点控制旋钮使刻度尺水平上升，让画笔尖在刻度尺上划线，待转动臂静止之后可以根据细线直接准确地读出转动半径R。
(3)改变M、ω、R重新进行实验，测量实验数据。
(4)完成实验，按照实验室要求整理实验仪器。
(5)分析处理数据，总结实验得到相应结果。
四、注意事项
①实验前应调平底座，将调速旋钮调到最低，且接线应注意正负极对应。
②获得实验数据的过程中不能调节转速调节旋钮。
③质量M的改变：在每次实验前选择相应的附属重物放入实验小车，得到不同的研究质量M。
④转动半径R的改变：实验开始前通过调节细绳的长度并在钮环处将细绳固定，得到不同的转动半径R。
⑤转速ω的改变：每次实验时，在测量实验数据之前调节转速调节旋钮，得到不同的实验转速ω。
⑥当画笔使用次数较多之后应该磨细画笔笔尖，提高半径读取精度。
⑦注意仔细缓慢调节描点控制旋钮，保证画笔只在刻度尺上划下一条痕迹。
五、设计优点
①在本实验仪器进行实验时，涉及的三个主变物理量M、ω、R可灵活自由地改变，满足“控制变量”的要求。避免固定某些量去找剩余物理量临界值的弊端，提高实验灵活性和准确性。
②该设计在制作成本低廉的基础上，充分考虑到在教师用于演示实验时使师生能够直观地观察到实验现象和方便地读取到实验数据的要求，同时还充分考虑学生实验时操作简单方便的要求，降低实验本身的难度。
③转动半径R的精确度高。水平刻度尺零刻度线与转轴对齐，与研究物体重心同一竖直线上的画笔描线保证数据的准确性，刻度尺静止使得示数的读取更加方便。虽然转动过程中测力计弹簧伸长，但这并不影响测量半径的精确性。因为虽然弹簧伸长，但是描线画笔的位置也在随之改变。
④向心力F的测量精确度高且直观可见。在测力时，采用测力计固定的方式，保证师生在实验中能够仔细、方便地从静止的测力计上读取数据。且实验过程中测力计固定，不因弹簧离心运动而产生误差，保证了测力计测得的仅仅是研究物体所需向心力的大小。测力计用螺母固定，便于更换不同精度要求的测力计。
⑤转速ω的测量有多种方式选择。光电门测速精确度高，而且光电门安装槽方便随时安装、拆卸光电测速装置，无需单独为此设备配备光电测速仪器。
若实验室不具备光电测速条件，采用参考指针测量转速同样可以保证实验精度。而且采用参考指针测量转速ω方便、准确、成本低廉、误差很小。