关于“向心力”实验的修正 - 数字化实验系统的应用

关于“向心力”实验的修正

——数字化实验系统的应用

323800、浙江省丽水市庆元县庆元中学、叶冬洪、13967072518

摘要 本文通过对圆周运动影响“向心力”的几个因素的研究，探索“数字化科学实验系统”给实验教学带来的一些改变。 关键词 向心力 数字化 实验 1 引言

实验教学是物理教学的基础,新一轮课程改革体现在物理课程上的最大亮点就是在突出实验教学的同时将传统实验与信息技术相结合,不仅在内容的阐述中,甚至在章节的引入上都更多地采用了信息技术。以前教师讲实验，学生记实验的教学方法以及粗糙的实验仪器将慢慢被淘汰，许多物理概念和规律需要通过精确的实验探究才能得到。基于这种情况，许多学校建立了DIS（Digital Information System）实验室。这种实验系统不仅是实验教学方式的变化，更是对新课程教学理念的贯彻和落实，更是物理实验走进数字化和信息化的产物。 2 问题的提出

“向心力”即：使物体做圆周运动的力。对“向心力”的教学，一般采取“理论分析——提出假设——简单数学推导”的方法。这种教学模式虽然可以把“向心力”的表达式讲清楚，但是说服力不够。不能讲清楚向心力与哪些因素有关。人教版《物理》必修2在“向心力”这一节中采用圆锥摆来粗略验证向心力的表达式，即验证合力的大小与理论分析出来的向心力的大小相等。本质上没有解决向心力是不是受质量、半径、角速度和线速度的影响。而在物理教学指导意见对向心力这一节教学要求，是不要求计算物体不在同一直线上的向心力问题，对于一些基础比较薄弱的学校在教学的落实上是无法对书本上的实验得以落实。那么有没有办法把“向心力”的表达式通过实验来验证呢？应用“数字化科学实验系统”就可以做到。 3 实验探究

3.1实验目的：

研究向心力与质量、半径、线速度和角速度的关系。 3.2实验器材：

数字化科学实验系统数据采集器、光电门传感器，力传感器，计算机，向心力实验器。

3.3探究过程及数据处理：

数据采集器 力传感器 光电门传感器 实验装置图

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1、安装向心力实验器（如实验装置图所示），固定力传感器和光电门传感器。 2、输入转动半径，转动悬臂，点击“开始采样”按钮，进行采样（注意：转动停止即可点击“结束采样”）。 3、得到F-ω、F-v的关系图形。

4、由F-ω(v)图形知：数据点的分布具有抛物线特征。点击“二次多项式”拟合，发现数据点均匀分布在拟合线两侧，验证了事先的猜想：

F与ω(v)为二次函数关系（即F??2和F?v2）。

5、观察F-ω2(v2)图形，对数据点进行直线拟合，发现数据点均匀分布在拟合线两侧，更加说明了F??2和F?v2。

6、研究砝码质量不变，转动半径改变时，向心力与角速度的关系。（数据处理）

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实验次数 半径/cm 2F-ω斜率 2 1 6 12 0.00148 0.00276 比值 0.5 0.536232 从图形中可知，在误差允许范围内，质量保持不变，转动半径与F-ω2的斜率成正比，如果将两直线平移到原点，我们可以做一条平行F轴的直线，你就会发现F的关系是1:2的关系，即ω和m一定时，向心力与半径成正比（即F?r）。 7、研究转动半径不变，砝码质量改变时，向心力与角速度的关系。（数据处理）

实验次数 质量 2F-ω斜率

3 2 比值 0.112474 0.214724 0.523807 0.0008 0.00154 0.519481 3

从图形中，同上可以得到：在误差允许范围内，转动半径不变时，质量与F-ω2的斜率成正比，如果将两直线平移到原点，我们可以做一条平行F轴的直线，你就会发现F的关系是1:2的关系，即ω和r一定时，向心力与质量成正比（即

F?m）。

8、综合上述实验可知：在误差允许范围内，向心力的大小与物体的质量、角速度的平方、半径成正比。得到F?mr?2即F?kmr?2。其中k为比例系数，当质量、半径和角速度取国际单位时，k=1，得到向心力的表达式

v2F?mr??m

r2再由牛顿第二定律，即可推得

v2a?r??

r23.4验证分析：

实验操作不是很复杂，适用于学生自己动手。因为是验证性实验，所以学生在老师的指导示范下，很快就能独立完成。在实验过程中，学生碰到了一个问题，就是测得的实验结果斜率之比和半径（质量）之比会有较大的差别。碰到此类问题教师最好不要给学生分析原因，而是让学生自己讨论，这样才有利于学生思维能力的提高。

经过反复重做和探讨，学生总结出以下几个原因： （1）调整半径时，没有把连杆转动时会伸长考虑进去。

（2）改变物体质量时，物体的质量之比小于2:1,且没有考虑连杆的质量。 （3）向心力实验器底座是否调整水平。

所以在做实验时注意以上几点，实验结论基本上就出来了。 4 验证活动后的反思

新的课程标准与现行的教学大纲相比，其最突出的一点是注重全体学生的发展，以提高全体学生的科学素养。注重科学探究，强调过程和方法的学习。像“数字化科学实验系统”这种新型的实验仪器能够极大的吸引学生的求知欲和动手实践。传统的实验仪器、操作都比较繁琐，大部分时间都花在操作上，最后粗糙得到一些物理量的定性关系。而忽视了数据处理过程；运用“数字化科学实验系统”以后学生可以节省下大量实验的操作时间。但究其深层次的意义，其实是要求学生转而关注数据之间的物理关系和挖掘出数据背后更深层次上的物理关系，就是说可以引导学生把精力从简单层面上转移到较深入的地方。这样可以充分挖掘学

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生的潜能，一旦实验成功，还能增强学生的自信，提高对物理的学习兴趣。

随着教育改革的深入，物理实验促进学生动手能力、探究能力、归纳能力提高的综合效用正在被逐步重视起来，大量的高新技术也开始应用于物理实验教学。数字化实验系统是现代信息技术与物理课程的整合，更重要的是教育观念的一个转变，对物理课程的教学模式和内容都将产生深远的影响。中学物理教师应花足时间研究，对每个实验教师应该事先做足准备工作，多思考、多动手和多实践才能发挥数字实验系统在物理课堂教学中的作用，进一步挖掘它的功能，积极培养学生的自主探究学习和创新的能力。

参考文献

[1]沈志斌.运用DIS技术化解电容教学难点.中学物理教学参考[J].2006,(3:8-10)

[2]物理[M].北京：人民教育出版社.2003 [3]中华人民共国教育部.普通高中·物理课程标准(实验)[M]. 北京:人民教育出版社

[4]数字化实验平台应用于物理实验教学的优势 秦晓文 [5] DIS数字实验系统在物理教学中的作用 徐锐 [6]传感器在新课程实验教学中的应用 林凤琦 管雷

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bxxa.html