国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

用傳感器探究影響向心力大小因素的實驗裝置研究

2015-10-22 01:04李燕秋
大學物理實驗 2015年2期
關鍵詞:向心力小球半徑

黃 軍,代 偉,羅 微,李燕秋,馬 蘭

(西華師范大學,四川南充 637002)

用傳感器探究影響向心力大小因素的實驗裝置研究

黃 軍,代 偉?,羅 微,李燕秋,馬 蘭

(西華師范大學,四川南充 637002)

實驗探究向心力F的大小與質量m、角速度ω和半徑r之間的關系是高中物理的一個重要實驗。針對傳統(tǒng)實驗裝置存在的不足,新設計的實驗裝置利用PASCO力傳感器測向心力的大小,用調速電機來改變金屬小球作圓周運動的角速度,并用霍爾傳感器測量電機的轉速,金屬小球的質量和小球的旋轉半徑則定量改變。新的實驗裝置能定量地探究向心力的大小F與質量m、角速度ω和半徑r之間的關系,實驗結果精確度高,演示效果明顯,方便師生使用和操作,值得推廣。

向心力;傳感器;定量分析;演示

在現(xiàn)行高中物理教材中,圓周運動及其相關問題占據了一定的地位,而與之相關的實驗也在漸漸地得到重視,再加之新課程改革中強調了學生的主體地位與探究式學習的重要性,因此學生通過實驗探究得出物理規(guī)律這一教學途徑顯得越發(fā)重要,實驗儀器的改進工作則更加不可或缺。用傳感器探究影響向心力大小因素的實驗演示裝置就是根據現(xiàn)行高中物理探究向心力的大小F與質量m、角速度ω和半徑r之間的關系而研制的一種新型儀器[1-2]。與現(xiàn)有的一些向心力定量分析演示儀相比,它具有兩個顯著的特點:一是,當影響向心力F大小的質量m、角速度ω和半徑r這三個因素中的一個因素改變后,該儀器能把動態(tài)下的向心力F大小變化通過PASCO力傳感器準確測量出來,并能將測量數據儲存在電腦中,當進行數據處理時可以隨時調用;二是,金屬小球作圓周運動的角速度改變是通過無極開關控制減速電機來實現(xiàn),電機的轉速可以任意調節(jié),利用霍爾傳感器可以準確測出電機的轉速,并通過轉速表顯示轉速的大小。

1 現(xiàn)有電動向心力演示儀的不足之處

現(xiàn)有的電動向心力定量分析演示儀是根據高中物理課程的需要而在以往的向心力演示儀器上加以改進得到的實驗儀器。如參考文獻[3]、[4]、[5]所介紹的電動向心力演示儀在電機的選擇上存在著缺陷,兩種儀器都選用的都是普通電機,普通電機由于精度不高,運行不穩(wěn)定,在轉動過程中就會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象,這樣會導致作圓周運動小球的運動軌跡往往不在同一平面內,從而帶來測量誤差;另外普通電機在電壓不穩(wěn)定的情況下,其轉速也會出現(xiàn)時快時慢的不穩(wěn)定現(xiàn)象。參考文獻[4]中介紹的實驗裝置中還存在著拉力測量即向心力測量不準的問題,該裝置是采用電子稱測量細線拉力得到向心力,由于電子稱的精度有限,在數據的采集上會有較大的誤差;另外隨著小球做圓周運動的同時,懸線也會不斷的扭轉,會產生一個扭力矩,所轉圈數越多,所產生的實驗誤差也就越大,另外隨著扭力矩的出現(xiàn),懸線還會逐漸打結繼而小球的旋轉半徑也會逐漸減小從而帶來測量誤差[5];其三,連接金屬小球與測力計的細線在圓心直角轉彎處沒有使用軸承會產生較大的摩擦力,由此也會帶來誤差;其四就是水平凹槽下方無圓盤導致旋轉凹槽半徑不好識別,在啟動的時候容易傷人。

2 電動向心力定量分析演示儀的改進

針對傳統(tǒng)電動向心力定量分析演示儀存在的不足,新設計的電動向心力定量分析演示儀做了以下幾點改進。一是,電機選用的是高精度的減速電機,調速采用無極調速,電機轉速測量采用的是霍爾傳感器,測得的轉速精度高還可通過轉速表直接讀出轉速。二是,懸掛小球的細線與PASCO力傳感器的連接是在漁具中使用到的高速軸承轉環(huán),這樣可以防止細線在旋轉的過程中因扭轉而產生的纏繞。三是,在滑槽的中心位置安裝了一個定滑輪,將水平滑槽中的金屬小球連線轉90°與豎直方向的高速軸承轉環(huán)連接。四是,采用了精度更高的PASCO力傳感器作為測力元件,使向心力的測量更加準確,測量時既可動態(tài)讀數又可將測量數據進行存儲,還能與計算機相連實現(xiàn)實驗數據的實時輸出,并能夠方便、快捷讀取平均值。五是,水平凹槽的下方安裝了一個直徑與凹槽相等的輕質圓盤,既使演示效果更直觀,又可避免儀器啟動的時候滑槽傷人,提高了儀器的安全性能。

3 儀器結構

自制的儀器結構如圖1所示。減速電機15固定在儀器底座14上,輕質圓盤12和滑槽7通過金屬法蘭盤9與電機相連。連接金屬小球8的細線繞過定滑輪18與高速軸承轉環(huán)4連接,高速軸承轉環(huán)上面再與PASCO力傳感器1相連,傳感器安裝在橫梁13上,在橫梁13中心位置轉一個圓孔使力傳感器能與高速軸承轉環(huán)連接,這樣當金屬小球作圓周運動時產生的向心力就可通過力傳感器測出。在金屬法蘭盤9上安裝一個感應磁鐵10,霍爾傳感器11安裝時與感應磁鐵相隔0.5厘米左右,轉速表3則安裝在在橫梁13上,方便讀數。無極調速開關16安裝在底座上,通過它調節(jié)電機轉速。

圖1 儀器結構圖

4 設計思想

本實驗儀器的改進的主要目的和任務是:

(1)輔助教學,讓學生自己動手通過實驗定量探究向心力F=mω2r這一公式;

(2)把課堂還給學生,讓學生自己動手完成實驗探究,歸納總結得出物理規(guī)律;

(3)配合新課程改革,通過探究式教學完成教學任務、并通過自制的教具激發(fā)學生的創(chuàng)新能力。

5 實驗探究分析

利用新設計的電動向心力定量分析演示儀進行實驗,實驗探究過程和測量的數據記錄如下。(在實驗過程中選用的小球是材質不同的橡膠球、鋁球和鐵球)

(1)保持ω=60.93 rad/s,r=70 mm不變,通過換用質量分別為10 g、20 g、30 g的橡膠球、鋁球、鐵球多次測量F求平均值,得出向心力實驗數據如表1,F(xiàn)-m關系圖如圖2。

表1 ω=60.93 rad/s、r=70 mm時向心力F的測量值與理論值及百分誤差

圖2 F-m圖

圖3 F-r圖

由表1和圖2可以很直觀的得到當ω與r保持不變時,F(xiàn)-m成正比關系。

(2)保持ω=60.31 rad/s、選用m=30 g的鐵球不變,通過調整半徑r多次測量求平均值,測得的數據如表2,F(xiàn)-r關系圖如圖3。

表2 ω=60.31 rad/s、m=30 g時向心力F的測量值與理論值及百分誤差

由表2和圖3可以很直觀的得到當ω與m保持不變時,F(xiàn)-r成正比關系。

(3)保持m=30 g、r=70 mm不變,通過調整減速電機轉速以調整ω,所得實驗數據如表3,F(xiàn)-ω關系圖如圖4。

表3 m=30 g、r=70 mm時向心力F的測量值與理論值及百分誤差

由表3和圖4可以得出,當m、r一定時,F(xiàn)與ω2成正比關系。

結論:利用新設計的實驗裝置,實驗通過控制變量法分別探究了向心力F與m、r、ω2與之間的關系,通過實驗數據分析和實驗作圖分析,很好地驗證了作勻速圓周運動的物體向心力的公式F=mω2r成立。這對學生通過實驗探究來歸納和總結作勻速圓周運動物體向心力的公式有很大的幫助,真正的做到了探究式教學。

圖4 F-ω圖

6 結 論

在高中物理教學中關于向心力公式的得出是個難點,

該公式的理論推導過程對學生來說過于抽象,不易理解。而圓周運動這一章在高中物理中有著重要的作用[6],和我們的生活聯(lián)系也十分緊密。使用電動向心力定量分析演示儀可以讓學生通過實驗探究,親身感受什么是勻速圓周運動?什么是向心力?向心力由于那些因素有關,這比理論分析更有說服力。

本教具克服了傳統(tǒng)向心力演示儀的一些不足,使測量精度更高,操作更方便,可以讓學生定量探究向心力的大小與物體的質量、角速度和半徑的關系,最終推導得出向心力公式。另外有了該教具,在進行向心力教學時就可以以實驗探究為主,以問題討論和小組交流為輔,把知識傳授、能力培養(yǎng)和學生的情感態(tài)度有機的結合起來,從而加深學生對向心力公式的理解和記憶。

[1] 劉玉燕.允許傳感器位移和轉速測量研究[J].大學物理實驗,2014(3):4-9.

[2] 何越,鄭如意,王志軍.大學物理創(chuàng)新實驗氣敏傳感器(MQ-3)特性研究[J].大學物理實驗,2014(6): 31-33.

[3] 代偉,徐平川,陳太紅,等.對電動向心力定量分析演示儀的改進[J].大學物理,2012,31:3.

[4] 張前軍.向心力演示儀的改進[J].物理實驗,2010,30(3).

[5] 陳驥,王曉楠,李松嶺,等.自制向心力演示儀[J].中國教育技術裝備,2013(5).

[6] 人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材開發(fā)中心.普通高中課程實驗教科書·物理·必修2 [M].北京:人民教育出版社,2004.

Experimental Studies with a Sensor Device to Explore the Factors Which will Affecting the Magnitude of Centripetal Force

HUANG Jun,DAI Wei,LUO Wei,LI Yan-qiu,MA Lan
(China West Normal University,Sichuan Nanchong 637002)

Using experimental to find out the relations of the Magnitude of Centripetal Force among Mass (m),Angular Velocity(ω)and Radius(r)is a very important experimental in High School’s Physics.Due to the shortages of old lab equipment,the new equipment designed with a PASCO Force Sensor to measure the Magnitude of Centripetal Force,Variable Speed Motors also applied in order to change the Angular Velocity of Metal Pellets during circular motion,and measure the speed of Motor through Hall Sensors,the mass and rotating radius of small metal balls become quantitative changes.New equipment are quantitatively capable to explore the relations of the Magnitude(F)of Centripetal Force among Mass(m),Angular Velocity(ω)and Radius(r),the experimental results are accuracy,demonstrate effectively,teachers and students could operate easily,it is worth promoting.

centripetal force;sensors;quantitative analysis;demo

G633.7

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.02.008

1007-2934(2015)02-0031-04

2014-11-11

四川省研究生教育改革創(chuàng)新項目

?通訊聯(lián)系人

猜你喜歡
向心力小球半徑
馬向明:雙“星”交匯,打造灣區(qū)最強向心力!
為譜寫新篇章提供強大“向心力”——黨的十九大以來陜西省精神文明建設綜述
聯(lián)想等效,拓展建?!浴皫щ娦∏蛟诘刃鲋凶鰣A周運動”為例
小球進洞了
小球別跑
小球別跑
連續(xù)展成磨削小半徑齒頂圓角的多刀逼近法
一些圖的無符號拉普拉斯譜半徑
熱采水平井加熱半徑計算新模型
四種方法確定圓心和半徑