一种定量探究向心力相关因素的实验装置，本文主要内容关键词为：向心力论文,定量论文,装置论文,因素论文，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。
在高中物理教学中，关于向心力的公式的得出是个难点。该公式的理论推导过程对学生来说过于抽象，不易理解，而开展实验研究又十分困难。历年来的高中物理教材所采用的“向心力实验演示仪”也仅仅是半定量的，它通过皮带传动改变两轮的转速，让两轮上的钢球同时做圆周运动，然后通过连动装置使安放在圆盘中心套筒中的弹簧产生压缩形变，再根据形变大小，来粗略比较两边压力的关系。通过教学笔者发现，该实验的优点是操作简单，现象直观；缺点是误差较大，且不能做更进一步的定量研究。
笔者认为，虽然向心力的相关因素较为复杂，但如果能开发出定量研究向心力相关因素的实验装置，则不仅能使学生进一步加深对该公式的理解，而且其探究过程还是培养学生实验能力和探究能力的好机会。
一、采用常规器材自制的向心力定量实验装置
如图1所示为该实验装置结构示意图，主要由转动装置、力和时间的测量装置以及外支架组成。
转动装置主要由驱动电机与转动横轴组成。将1台能进行无级调速的电风扇中的网罩及风叶拆掉，取其驱动电动机以及调速装置；用自制的支架将电动机轴承竖直放置，并在其轴承上水平安装1根内侧平滑的铝合金槽作为转动横轴，铝合金槽截面为U形，尺寸为3cm×4cm×100cm。
在U形铝合金横轴的一侧放置1个直径略小于U形铝合金内侧宽度的小球，再用细钢丝通过固定在转动横轴中央的光滑滑轮与数显电子秤连接。为保证钢丝随小球转动时数显电子秤不动，在钢丝与电子秤连接之处需安装一个简单的连动装置。在横轴另一侧对称位置放置1个质量与小球质量相等、可固定于横轴上的配重物，以保证整个装置转动时始终保持平稳。实验时通过电动机的转动带动U形铝合金横轴及其中的小球做圆周运动，并可通过电风扇的无级调速器改变电动机的转速来改变小球做圆周运动的转速。
图1 常规向心力实验装置结构示意图
小球转动后，由于离心作用，会对细钢丝产生拉力，该拉力通过固定于转动横轴中心的定滑轮，使固定于外支架上的位于电动机轴承正上方的、一端连接钢丝的数显电子秤有了读数；又由于滑轮、U形铝合金槽内壁很光滑且水平安装，则数显电子秤所测得的力便是小球所受的向心力。
小球做圆周运动的半径可由固定于U形铝合金槽上的标尺直接读出。通过改变悬挂于外框架上数显电子秤的高度，我们可以方便地改变小球做圆周运动的半径。
小球的转速和横轴的转速相同。在横轴的一端外侧安装1个由宽度约1.5cm金属薄片制成的挡光板，时间光电门安装在外支架的内侧并连接大屏幕数字显示仪。当横轴转动时，挡光片经过光电门，读出数字显示仪中挡光时间间隔，从而测得小球做圆周运动的周期。
小球采用钢质、铝质、塑料等不同的材质，各小球大小相同而质量不同。小球中心穿孔，用硬钢丝穿过，硬钢丝一端打结，另一端制成挂钩与细钢丝相连，以方便小球的更换。实验时可通过更换不同材质的小球来探究向心力与小球质量的关系。
二、利用数字化实验平台采集数据的自制向心力定量实验装置
随着计算机技术和传感器技术的进步，实验过程中的数据采集手段已经获得了快速发展。目前，许多学校所配备的数字化实验平台是把计算机实时测量技术应用于中学物理教学，以改变传统的实验教学方式，形成新的教学模式。其特点是将现代化手段与传统的物理实验进行有机结合，形成了多媒体实验教学环境，使传统的物理实验仪器扩展了新的功能，把基本的物理实验赋予了新的内容，具有智能交互、图文并茂、动画丰富等特点。
数字化实验平台主要用于采集实验数据，然后对数据进行处理，以表格的形式或函数图象的形式呈现出来。其教学功能主要有：完成常规仪器难以完成的实验；避免手工作图和处理数据的繁琐而带来的人为错误，并大大节省时间；激发学生的学习兴趣，提高其动手能力与创新能力。
向心力的研究是一个较复杂的实验，因为向心力的大小与转动物体的质量、转动半径、转动快慢有关。在定量研究中，若要取得较多组实验数据用以探究，则数据的采集与处理相当繁琐，而利用数字化实验平台就能很好地解决这一问题，有效提高课堂教学效率。
如图2所示，将图1中的数显电子秤换成力传感器，同时将力传感器及光电门分别接入数据采集器并与计算机连接，即组成数字化向心力实验装置。该实验装置利用力传感器测定向心力的大小，利用时间光电门测定小球转动周期，其小球质量及转动半径的改变和测量与图1装置中的相同。
下面，通过一次探究向心力与周期的关系说明其主要操作过程。（实验中也可以用公式ω=2π／T将周期换算成角速度来探究）
首先，按图2所示安装好实验装置。将转动横轴调节成水平，对力传感器调零。测定小球质量为98g，转动半径为45cm。
图2 数字化向心力实验装置结构示意图
其次，开启电机并缓慢调节电机的转速，改变小球转动周期。通过传感器、数据采集器即时自动采集小球所受向心力F和转动周期T，并将其输入计算机，此时，可利用投影仪让学生观察采集的数据，如图3所示。学生可观察到小球转动周期变化时所受向心力的变化情况。
图3 数据采集显示
再其次，利用相应软件（自配DISLab）的“绘图”功能，设置x轴为
，y轴为F，将采集的数据利用图形处理，得到的数据点及连线如下页图4所示。教学中可分别设置x轴为周期的一次方、二次方、三次方的倒数等来拟合图线，比较后得出向心力与周期二次方的倒数成正比关系。
图4 实验数据点和连线
最后，将实验测得的向心力数据与由公式
算出的理论值进行比较分析，并将采集的数据导入预先设置好的Excel工作表，如表1所示。从表1可看出测量值与理论值相当吻合，验证了向心力与周期二次方的倒数成正比关系。
三、实验装置其他说明
1.本实验装置既可作为验证向心力公式的实验使用，也可作为探究向心力公式的实验使用，可视教学情况而定。实验通过控制变量法来定量测量向心力及相关物理量，实验误差较小。在实验条件许可的情况下，可结合数字化实验平台进行实验，以提高课堂实验效率。
2.转动横轴上需安装金属网罩，以防止转动时小球飞出，起到安全保护作用。安全网罩可打开，以方便实验时更换不同质量的小球，更换小球后，合上网罩，扣上设在转动横轴上的安全扣即可。另外，配重设计中的配重点位置可调整，以保证实验中当改变小球做圆周运动的半径时，转动横轴两侧受重仍能保持对称。
3.在利用电风扇无级调速器改变电动机的转速以改变小球做圆周运动的周期时，调节应缓慢些，否则实验误差会较大。安装电机的支架需有足够的强度和一定的自重，以保证转动平稳，可用三角铁架焊接而成。
表1 测量值与理论值的比较
