代 偉，龔韓莉

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002)

離心力是指物體在繞圓心做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的背離圓心的力，離心力在生活中的應(yīng)用處處可見(jiàn)，如洗衣機(jī)的脫水筒，離心機(jī)以及修路時(shí)道路彎道處的路面設(shè)計(jì)成外高里低等都是離心現(xiàn)象在生活中的巧妙運(yùn)用。由于離心力是一種慣性力、虛擬力，并不是真實(shí)存在的力，因此，在高中物理教學(xué)中老師如果沒(méi)有直觀的演示教具只用抽象的語(yǔ)言來(lái)描述抽象的離心力這一物理現(xiàn)象學(xué)生不易理解[1-3]。

現(xiàn)有的離心力教學(xué)演示教具演示效果不太好，功能不夠豐富，不便于學(xué)生定量探究離心力公式。為了解決離心力教學(xué)過(guò)程中遇到的困難，幫助教師更好地進(jìn)行定量探究和演示離心力與各物理量之間的定量關(guān)系，減小實(shí)驗(yàn)誤差，我們對(duì)已有的電動(dòng)離心力定量分析演示儀進(jìn)行了改進(jìn)。新的演示裝置通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，金屬小球直徑大小和小球旋轉(zhuǎn)半徑可定量演示和探究離心力公式。新設(shè)計(jì)的電動(dòng)離心力定量探究演示裝置成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作材料易得，加之儀器外形美觀，很有創(chuàng)意，更能在課堂上吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生對(duì)自制教具的渴望，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，實(shí)驗(yàn)探究能力，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力等都有幫助[4-6]。

1 電動(dòng)離心力定量分析演示裝置的結(jié)構(gòu)

演示裝置如圖 1所示。

圖1 改進(jìn)后的電動(dòng)離心力定量分析演示裝置

儀器有一底座，在底座上方的中心位置安裝固定一調(diào)速直流電機(jī)，電機(jī)由可調(diào)穩(wěn)壓直流電源供電。在電機(jī)的軸上安裝固定一個(gè)用亞克力板制作而成的水平板，水平板中心位置開(kāi)有5 mm寬的滑槽。用來(lái)安裝和固定電子秤的兩個(gè)矩形亞克力盒對(duì)稱(chēng)安裝在水平板的兩側(cè)。矩形亞克力盒底部粘接有兩顆鎖緊螺絲，鎖緊螺絲從水平板滑槽中穿過(guò)，當(dāng)矩形亞克力盒尺寸位置確定好后，擰緊鎖緊螺絲上的緊固螺母可將矩形亞克力盒固定在水平板上。兩個(gè)帶讀數(shù)鎖定裝置的電子秤通過(guò)矩形亞克力盒上方的固定螺絲可將電子秤固定在亞克力盒上。買(mǎi)來(lái)的電子秤需將其掛鉤取掉，在原來(lái)裝掛鉤的桿上裝上用亞克力制作而成的圓形推盤(pán)，圓形推盤(pán)安裝方法如圖 2所示。

圖2 圓形推盤(pán)與電子秤的安裝

演示裝置采用對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，金屬小球、亞克力盒、電子秤對(duì)稱(chēng)安裝在水平板的左右兩邊，該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：一是可以保證儀器在使用過(guò)程中運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)；二是離心力的測(cè)量值可以取兩個(gè)電子秤讀數(shù)的平均值，使測(cè)量結(jié)果更加精確。裝置的水平板下方安裝有磁鐵，安裝在底座上的磁控轉(zhuǎn)速傳感器可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確測(cè)量。水平板制作時(shí)，中心段為了增加板子的強(qiáng)度和防止金屬小球滾落到地上，用兩塊厚度相同的亞克力板疊裝并粘接而成。由于水平板中心位置開(kāi)有5 mm寬的滑槽，靠近圓心一側(cè)有疊裝凸起的亞克力板，另一側(cè)又有圓形推板，放入的小球只在槽中滾動(dòng)而不會(huì)掉落到地上，這樣小球做離心運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)沿中心滑槽向外作離心運(yùn)動(dòng)并推壓電子秤前端的圓形推盤(pán)。

2 電動(dòng)離心力定量分析演示裝置的結(jié)工作原理

根據(jù)圖 1，定量探究物體做離心運(yùn)動(dòng)的離心力公式時(shí)保持小球的質(zhì)量m和小球旋轉(zhuǎn)角速度ω不變，調(diào)節(jié)好金屬小球的中心到電機(jī)中心之間的距離為r,此距離即為金屬小球做離心運(yùn)動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)半徑r，當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，讀出電子秤鎖定的讀數(shù)可探究F離與r之間的定量關(guān)系；保持小球的質(zhì)量m和半徑r不變，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可探究F離與ω之間的定量關(guān)系；保持ω和半徑r不變，改變m大小，可探究F離與m之間的定量關(guān)系。最終通過(guò)多次測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可推導(dǎo)得出離心力公式F離=mω2r。

3 定量探究離心力F離大小與半徑r、質(zhì)量m和角速度ω的關(guān)系

3.1 定量探究離心力F離與半徑r的關(guān)系

保持小球的質(zhì)量m和旋轉(zhuǎn)角速度ω一定，改變矩形盒離中心的位置，通過(guò)水平板上的刻度尺讀出幾組不同半徑，用電子秤測(cè)出不同半徑所對(duì)應(yīng)的離心力大小，取左右兩邊電子秤的平均讀數(shù)作為測(cè)量值。

由表1和圖 3可以很直觀地得到當(dāng)m與ω保持不變時(shí)，F(xiàn)離與r成正比關(guān)系。

表1 離心力F離與半徑r的關(guān)系(d=25 mm，m=0.064 kg，n=100 r/min，ω=10.47 rad/s)

圖3 F離-r關(guān)系圖

3.2 定量探究離心力F離與質(zhì)量m的關(guān)系

保持小球的半徑r和旋轉(zhuǎn)角速度ω一定，更換不同質(zhì)量的小球，通過(guò)計(jì)算得出不同直徑金屬鐵球的質(zhì)量m(ρ=7.85 g/cm3)，用電子秤讀出不同質(zhì)量小球所對(duì)應(yīng)的離心力大小，取左右兩邊電子秤的平均讀數(shù)作為測(cè)量值。

由表2和圖 4可以很直觀地得到當(dāng)r與ω保持不變時(shí)，F(xiàn)離與m成正比關(guān)系。

表2 離心力F離與質(zhì)量m的關(guān)系 (r=0.12 m,n=100 rad/min，ω=10.47 rad/s)

圖4 F離-m關(guān)系圖

3.3 定量探究離心力F離與角速度ω的關(guān)系

保持小球的質(zhì)量m和旋轉(zhuǎn)半徑r一定，改變加在直流電機(jī)兩端的電壓，通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器準(zhǔn)確測(cè)量換算幾組小球角速度ω大小，用電子秤測(cè)出不同角速度所對(duì)應(yīng)的離心力大小，取左右兩邊電子秤的平均讀數(shù)作為測(cè)量值。

由表3和圖 5、圖6可以得出，當(dāng)m，r一定時(shí)，F(xiàn)離與ω2成正比關(guān)系。

表3 離心力F離與角速度ω的關(guān)系(m=0.064 kg，r=0.12 m)

圖5 F離-ω圖像

圖6 F離-ω2圖像

上述定量探究離心力的實(shí)驗(yàn)中通過(guò)選取不同的m，ω和r進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的離心力F測(cè)與理論值F理進(jìn)行比較，測(cè)量相對(duì)誤差都在3%以?xún)?nèi)，所以改進(jìn)后的電動(dòng)離心力演示儀能對(duì)離心力公式F離=mω2r進(jìn)行很好的定量演示和探究。

5 結(jié) 語(yǔ)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，許多物理理論對(duì)人們的生產(chǎn)和生活起指導(dǎo)作用，生活中的許多科技發(fā)明都離不開(kāi)物理知識(shí)。為了培養(yǎng)創(chuàng)新人才在中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)非常重要，一個(gè)好的物理實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，一個(gè)富有創(chuàng)意的教具不但能夠培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣，還能幫助學(xué)生深刻理解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。改進(jìn)后的電動(dòng)離心力定量分析演示儀很好地實(shí)現(xiàn)了上述目的，解決了實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量準(zhǔn)確方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便，還可讓學(xué)生參與其中。利用該教具開(kāi)展離心力教學(xué)能很好地突破教學(xué)重難點(diǎn)，極大地提高了離心力這一課時(shí)的教學(xué)效果，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的分析問(wèn)題能力，激發(fā)了學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)闊了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。