向心力实验器

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向心力大小验证演示器（教案）

黎平第一民族中学物理组蒋勇

物体做曲线运动是自然界最普遍的运动，而任何一个曲线运动都可以看作是若干小段的圆周运动，因此圆周运动学问是高中物理教材编排的重点内容之一，学习和把握圆周运动规律是高中同学应具备的基本素养。物体做怎样的圆周运动跟需要多大的向心力有关，但是教材是直接给出向心力加速度公式an??2/r或

an??2r，再依据牛顿第二定律，得到向心力公式Fn?m?2/r或Fn?m?2r，

这样同学对公式的来源和正确性持有疑虑，公式缺乏可信度，把握和验证向心力大小公式成为必要。

原来的向心力演示器有的只能定性的得到向心力大小跟物体的质量、圆周半径、线速度（或转速）有关，没有定量测定或验证向心力大小，有一些向心力演示器虽然能够验证向心力大小公式，但成在仪器结构简单，同学操作困难，用手转动难以掌握好匀称的转速，误差较大等缺点，基于这些向心力演示器的弊端，本人在仔细讨论向心力大小演示装置的基础上，设计和改进了向心力大小验证演示器，该演示器有如下特点：

1、设计原理思路清楚，同学易懂，设计方法独特；

2、设计结构简洁合理，仪器材料可拆拼，试验以电机带动转动，保证物体做圆周运动匀称稳定，而且转速、物体质量均可增减调整，能验证向心力大小公式具有普遍性；

3、试验过程易于操作，读数精确     ，能定量测出向心力大小与物体质量、转动半径、转速的关系，误差较小，对向心力公式Fn?m?2/r或Fn?m?2r得到很好的验证。

试验仪器装置示意图如下：

18○17○

⑩

⑦⑧

①

①铁板底座②中心轴③铁杆支架④铁片连杆⑤小电动机⑥电动机调速旋钮⑦电机转轴⑧皮带⑨大皮带轮⑩转动板

11弹簧○12弹簧指针○13细线○14滑槽○15带滑轮载物筒○

16载物筒指针○17标尺○18橡皮条○19白纸○20夹子○

试验原理及过程：试验时，启动电机⑤，调整电机调速旋钮⑥，让电机转动轴⑦通过皮带⑧带动大皮带轮⑨旋转起来，依据需要可调整电机旋钮转变转动

14的载物筒15的快慢，固定在大皮带轮上的木板⑩通过大皮带轮转动，装在滑槽○○跟13跟弹簧○11相连，木板匀速转动时，处于着转动，做圆周运动，载物筒通过细线○

16可以指示物体做匀速圆周运动的半径，载物筒重心之上的载物筒指针○处于弹簧12可以指示向心力大小，前端的弹簧指针○为了能清晰的指示匀速圆周运动的半径17用两根橡皮条挂住，

和向心力大小，将卡在中心轴②和铁杆支架③槽中的标尺○

20夹住白纸条○19，让白纸条露出标尺下面少许，当木板匀速转标尺后面用两夹子○

动稳定后，用双手将标尺按下，涂有墨水的载物筒指针和弹簧指针在露出的白纸中划有痕迹，从痕迹处可以很便利地读出圆周运动半径r的大小以及向心力F大小。

用秒表测出木板匀速转动的20次或30次不等的时间，进而求得转速n。用天平称出载物筒（含小球或砝码）质量m。

将测出的半径r、向心力F、载物筒（含小球或砝码）质量m及转速n代入向心力大小公式Fn?m?2?n?r，在误差允许的范围内，即可验证该公式成立。验

2

证了也公式Fn?m?2?n?r成立也即验证了公式Fn?m?2/r或Fn?m?2r成立。

2

为使公式的成立不是偶然性，可以通过转变转速和载物筒（含小球或砝码）质量，得到多组向心力、载物筒质量、转速、半径数据，分别代入公式

Fn?m?2?n?r进行验证，使向心力公式的成立具有普遍性。数据记录表格设计

2

本试验操作简便，试验过程直观，测量数据便利，通过计算，试验误差率小

于10%，能使向心力公式得到很好的验证。

个人认为，对向心力公式进行验证特别必要，在学校没有较好的验证仪器条件下，本人创新设计了该向心力大小验证演示器，通过反复试验，在误差允许的状况下，能对向心力公式得到很好的验证，试验过程操作简便，试验现象明显直观，测量数据预备。自我感觉试验设备比较笨