向心力实验器

向心力演示器作者：陈渝德来源：《中国科技教育》2009年第10期一、项目背景高一物理(人教版)第一册第五章“圆周运动”是教学的重点和难点之一。

在进行向心力教学时,现行的实验器材只能定性的研究不能定量的研究。

于是笔者自己制作了一个向心力演示器,它能够比较准确的算出向心力大小。

二、作品原理本作品是根据F=mu2/r公式测向心力大小。

测量工具是家用电子秤,其分度值为10g,笔者用F=mg的公式换算为牛顿。

三、作品结构首先构建一个整体框架:有上下两条水平支架,下支架上安装电动机,电动机上安装钻夹头,夹头上安装一个铝片,用螺丝固定,铝片一端套上圆环,圆环用细绳固定,细绳另一端通过轴承连接其上端支架上固定的电子秤,通过电子秤读绳子拉力大小,即向心力大小。

接通电源时,电机旋转,通过改变半径,验证相同转速下向心力的变化。

本作品有以下几个优点:(1)形象、直观。

学生可以直接通过仪器读数。

(2)操作简便。

本教具在课堂教学中不需要重新组装,只要接上普通电源即可进行讲解、观察。

(3)可以通过实验验证向心力公式,从而加深学生对公式的理解和记忆。

该演示器适用于中学物理向心力教学演示。

四、制作方法1. 材料装备电动机1个,钻夹头1个,圆弧形不锈钢1块,长方形不锈钢3米,电子秤1个,传感器1个,学生电源1个。

2. 制作安装(1)将不锈钢管焊接成边长 40cm的正方形框架,在框架下端焊接圆弧形脚架;(2)在下端支架上打孔安装电动机,钻夹头和铝条以及轴承,连接好电路;(3)在铝条上安装圆环,圆环用细绳通过轴承与电子秤相连;(4)在支架上安装传感器,用于测量转速。

五、数据处理误差完全符合教学仪器误差在5%以内的行业标准(见表1)。

评委点评本项目是针对中学物理实验中的难点,一直不易进行准确量化研究的内容而设计的,该装置设计巧妙,便于操作,直观性好,精确度较高。

由于解决了长期以来定量研究的困难,其结构简单,演示直观,精确度较高,所以具有很好的实用性和推广价值。

向心力一、使用教材本节课《向心力》选自广东教育出版社出版的粤教版高中物理必修二的第二章圆周运动的第２节、适用于高中一年级学生下学期学习。

二、实验器材１、有机玻璃板框架;2、数显测力计;3、５7步进电机控制装置;４、５7步进电机;5、电机转速控制装置;6、转速显示器;７、有机玻璃弧形轨道;8、连接线;9、不同质量槽码;1０、刻度尺;11、8字环;12、滑轮;1３、电机联轴器、三、实验改进要点在高中物理教学中关于向心力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、而圆周运动这一章在高中物理中有着重要的作用和我们的生活联系也十分紧密。

使用电动向心力定量分析演示仪能够让学生通过实验探究,亲身感受什么是匀速圆周运动？什么是向心力？向心力由于那些因素有关,这比理论分析更有说服力。

传统的“向心力实验演示仪"仅仅是半定量的,同时误差较大,从而只能定性地说明向心力大小与相关变量有关,而无法定量地测出向心力与半径、线速度和质量有关,即准确性难以控制为了解决上述问题。

笔者设计制作了探究向心力演示仪,将向心力定性演示实验改进为定量操作实验。

本演示仪利用调速装置和测力装置,通过实际演示可分别改变质量、角速度、半径,实时读出向心力和转速的数值,分别探究上述物理量与向心力的关系,帮助学生更好地理解圆周运动的特点以及向心力公式。

本演示仪还针对传统电动向心力定量分析演示仪所存在的不足做了以下几点改进:一是,电机选用的是高精度的步进电机,调速方便,利用电机驱动装置和控制装置实时调节转速,转速精度高还可通过显示器直截了当读出转速、二是,固定槽码的细线与数显测力计的连接是在渔具中使用到的高速轴承转环,如此能够防止细线在旋转的过程中因扭转而产生的缠绕。

三是,在轨道的中心位置安装了一个定滑轮,将水平弧形轨道中的槽码连线转９０°与竖直方向的高速轴承转环连接。

四是,采纳了精度更高的工业用数显测力计,使向心力的测量更加准确,测量时既可动态读数又可将测量数据进行存储,还能与计算机相连实现实验数据的实时输出,并能够方便、快捷读取平均值。

高中物理实验：圆周运动实验仪器：自行车教师操作：让学生观察自行车后轮、齿轮、脚踏板转动现象。

实验结论：皮带、齿轮传动——线速度相同;同轴转动——角速度相同。

向心力实验仪器：向心力实验器(J2131)、弹簧测力计、停表、游标卡尺向心力实验器：指针较长，圆柱体的少量位移经过杠杆的放大，使显示更为明显。

但指针有质量，同时，转动时会做离心运动，所以制造时加了指针配量，使指针系统成静平衡。

再通过适当选择摆杆的质量维持指针系统的动平衡。

因而实验时无需考虑指针的质量和它可能做离心运动的影响。

转动轴由立柱上的钢珠支撑，转动轴下部有定位锥套。

实验前调整配重的位置时应将定位锥套退下，调整后将套重新推向上。

构造游标卡尺是工业上常用的测量长度的仪器，它由尺身及能在尺身上滑动的游标组成。

若从背面看，游标是一个整体。

游标与尺身之间有一弹簧片(图中未能画出)，利用弹簧片的弹力使游标与尺身靠紧。

游标上部有一紧固螺钉，可将游标固定在尺身上的任意位置。

尺身和游标都有量爪，利用内测量爪可以测量槽的宽度和管的内径，利用外测量爪可以测量零件的厚度和管的外径。

深度尺与游标尺连在一起，可以测槽和筒的深度。

尺身和游标尺上面都有刻度。

以准确到0.1毫米的游标卡尺为例，尺身上的最小分度是1毫米，游标尺上有10个小的等分刻度，总长9毫米，每一分度为0.9毫米，比主尺上的最小分度相差0.1毫米。

量爪并拢时尺身和游标的零刻度线对齐，它们的第一条刻度线相差0.1毫米，第二条刻度线相差0.2毫米，……，第10条刻度线相差1毫米，即游标的第10条刻度线恰好与主尺的9毫米刻度线对齐。

使用用软布将量爪擦干净，使其并拢，查看游标和主尺身的零刻度线是否对齐。

如果对齐就可以进行测量：如没有对齐则要记取零误差：游标的零刻度线在尺身零刻度线右侧的叫正零误差，在尺身零刻度线左侧的叫负零误差(这件规定方法与数轴的规定一致，原点以右为正，原点以左为负)。

测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标，左手拿待测外径(或内径)的物体，使待测物位于外测量爪之间，当与量爪紧紧相贴时，即可读数读数读数时首先以游标零刻度线为准在尺身上读取毫米整数，即以毫米为单位的整数部分。

第四章曲线运动实验：探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系【考点预测】1.研究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的目的、原理、器材2.研究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的步骤、数据处理3. 研究向心力大小与半径、角速度、质量的关系的注意事项、误差分析【方法技巧与总结】探究方案一感受向心力1．实验原理如图1所示，在绳子的一端拴一个小沙袋(或其他小物体)，另一端握在手中．将手举过头顶，使沙袋在水平面内做匀速圆周运动，此时沙袋所受的向心力近似等于手通过绳对沙袋的拉力．图12．实验步骤(1)在小物体的质量和角速度不变的条件下，改变小物体做圆周运动的半径进行实验，比较向心力与半径的关系．(2)在小物体的质量和做圆周运动的半径不变的条件下，改变小物体的角速度进行实验，比较向心力与角速度的关系．(3)换用不同质量的小物体，在角速度和半径不变的条件下，重复上述操作，比较向心力与质量的关系．3．实验结论：半径越大，角速度越大，质量越大，向心力越大．探究方案二用向心力演示器定量探究1．实验思路本实验探究了向心力与多个物理量之间的关系，因而实验方法采用了控制变量法，如图所示，匀速转动手柄，可以使塔轮、长槽和短槽匀速转动，槽内的小球也就随之做匀速圆周运动，此时小球向外挤压挡板，挡板对小球有一个向内的(指向圆周运动圆心)的弹力作为小球做匀速圆周运动的向心力，可以通过标尺上露出的红白相间等分标记，粗略计算出两球所需向心力的比值．在实验过程中可以通过两个小球同时做圆周运动对照，分别分析下列情形：(1)在质量、半径一定的情况下，探究向心力大小与角速度的关系．(2)在质量、角速度一定的情况下，探究向心力大小与半径的关系．(3)在半径、角速度一定的情况下，探究向心力大小与质量的关系．2．实验器材向心力演示器、质量不等的小球．3．实验过程(1)分别将两个质量相等的小球放在实验仪器的两个小槽中，且小球到转轴(即圆心)距离相同即圆周运动半径相同．将皮带放置在适当位置使两转盘转动，记录不同角速度下的向心力大小(格数)．(2)分别将两个质量相等的小球放在实验仪器的长槽和短槽两个小槽中，将皮带放置在适当位置使两转盘转动角速度相等、小球到转轴(即圆心)距离不同即圆周运动半径不等，记录不同半径的向心力大小(格数)．(3)分别将两个质量不相等的小球放在实验仪器的两个小槽中，且小球到转轴(即圆心)距离相同即圆周运动半径相等，将皮带放置在适当位置使两转盘转动角速度相等，记录不同质量下的向心力大小(格数)．4．数据处理分别作出F n－ω2、F n－r、F n－m的图像，分析向心力大小与角速度、半径、质量之间的关系，并得出结论．5．注意事项摇动手柄时应力求缓慢加速，注意观察其中一个标尺的格数．达到预定格数时，即保持转速恒定，观察并记录其余读数．【题型归纳目录】题型一：教材原型实验题型二：探索创新实验题型三：光电门法题型四：传感器法【题型一】教材原型实验【典型例题】例1．如图甲所示是“探究向心力的大小F与质量m、角速度ω和半径r之间的关系”的实验装置。

本科生二课程论文报告课程名称：中学物理实验研究课程论文题目：向心力研究姓名：黄珊学号：2014000135所在学院：教师教育学院专业：物理行知班任课教师：王凤兰实验十二向心力研究实验目的研究向心力与质量，半径，角速度的关系实验器材朗威DISLab数据采集器，计算机，DISLab向心力器材等。

实验原理物体做圆周运动时，沿半径指向圆心方向的外力称为向心力。

向心力的大小与物体的质量、角速度的平方、半径成正比。

实验步骤1、将光电门传感器和力传感器分别接入朗威DISLab数据采集器。

2、按实验装置图把两传感器固定在向心力实验器上，设置实验器相关参数。

3、将实验器调节为水平，对力传感器调零。

4、点击“开始记录”，转动实验器的悬臂，记录数据。

5、保存图像6、对图像进行分析，总结F与角速度、质量之间的关系。

实验图像岂光杆曳度严附m 猎光杆昱関心曲鬲"=厂码阿：卉诗惑爵值F= 0.04 IN).JTBCH J- 丄」啸■音丄二农乜*」.鼻岸丄馄稱罚丄尸“CIM丄丄丄户」」幵站“丄；・j 丿丿一秋■台丄J J J _______ J 丿尸E 也J貞＞—向心力旺究冴光杆宽度門(m＞扌当光杆到圍心距离力円㈣力传感fl值“ 0.11 (N)幵倉C聂丄J________ 丿皆!C丿一秋瓠含」二农J・*・亠老邛尸1 J尸,囹•丄尸“凸• ‘ _ “尸-・・因・J 玄血J4.1ns光仟宽度鬥呦挣光杆到関心共鬲円阿力传惑丹區F= o.ll (N)时CM 丄. J ______ J ■第 * 农锻tt 丿_____ ‘ ___ J ____ J _________________________ J A->B> J 尸"fl!・丿i Cfl •/_____ * "ft 3 J业一向心力研究播光歼竟度AS= F°^m)扌肯光杆到厦心3^</= r^un)力传甬器值F= 0 34 (N)JHrt^ 丄•丿J 处Ht 丄一豪•含丄二状■會J 用B J jtllKfl 丿—韵8 , CEB* J J J <HJF I 0 34{N)IW輝款・》丄丄丿匕_丄J y-rffltf J胃巳电朋. 」实验分析1.物体所受到的向心力与角速度的平方成正比；2.在质量一定的情况下，半径越大，物体所受到的向心力越大。

七 实验：探究向心力大小的表达式(建议用时40分钟)1．向心力演示器如图所示。

转动手柄1，可使变速塔轮2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动，槽内的小球就做匀速圆周运动。

小球做圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力通过横臂的杠杆使弹簧测力套筒7下降，从而露出标尺8，标尺8上露出的红白相间等分格子的多少可以显示出两个球所受向心力的大小。

皮带分别套在塔轮2和3上的不同圆盘上，可改变两个塔轮的转速比，以探究物体做圆周运动的向心力大小跟哪些因素有关、具体关系怎样。

现将小球A 和B 分别放在两边的槽内，小球A 和B 的质量分别为m A 和m B ，做圆周运动的半径分别为r A 和r B 。

皮带套在两塔轮半径相同的两个轮子上，实验现象显示标尺8上左边露出的等分格子多于右边，则下列说法正确的是( )A ．若r A ＞rB ，m A ＝m B ，说明物体的质量和角速度相同时，半径越大向心力越大B ．若r A ＞r B ，m A ＝m B ，说明物体的质量和线速度相同时，半径越大向心力越大C ．若r A ＝r B ，m A ≠m B ，说明物体运动的半径和线速度相同时，质量越大向心力越小D ．若r A ＝r B ，m A ≠m B ，说明物体运动的半径和角速度相同时，质量越大向心力越小【解析】选A 。

根据题意，皮带套在两塔轮半径相同的两个轮子上，因而ωA ＝ωB 。

标尺8上左边露出的等分格子多于右边，因而F A ＞F B ，根据向心力公式F ＝m ω2r ，选项A 正确，D 错误；根据向心力公式F ＝m v 2r，选项B 、C 错误。

2．如图所示是探究向心力的大小F 与质量m 、角速度ω和半径r 之间的关系的实验装置图，转动手柄1，可使变速轮塔2和3以及长槽4和短槽5随之匀速转动。

皮带分别套在轮塔2和3上的不同圆盘上，可使两个槽内的小球分别以不同的角速度做匀速圆周运动。

小球做圆周运动的向心力由横臂6的挡板对小球的压力提供，球对挡板的反作用力，通过横臂6的杠杆作用使弹簧测力套筒7下降，从而露出标尺8，标尺8上露出的红白相间的等分格显示出两个球所受向心力的比值。

向心力实验器原理
向心力实验器是一种实验仪器，用于观察向心力的作用和探究物
体在旋转运动中的力学规律。

它是由一个竖直方向的轴承和一根细丝
组成的，细丝的上端固定在轴承上，下端则固定在一个质量小但形状
规则的物体上，例如一个小球或一个圆盘。

当向心力实验器开始转动时，由于物体的质量和几何形状不同，
所受到的向心力大小和方向也不同，这会使得物体偏离其原本的运动
轨迹。

同时，通过测量物体受力的大小和角度，我们可以计算出向心
力的大小和方向，从而探究物体在旋转运动中与向心力相关的力学规律。

使用向心力实验器时，需要注意以下几点：首先，实验器的转速
应当适中，不要过快或过慢，否则会对观察结果造成影响；其次，所
使用的物体应当质量小且形状规则，以便测量力的大小和方向；最后，实验器的轴承要保持光滑，以降低摩擦力对实验结果的干扰。

向心力实验器不仅可以用于物理学的教学实验，还可以在实践中
应用，例如在交通工程设计中，我们需要了解车辆在行驶过程中的向
心力大小和方向，以便合理设置路面坡度和车速限制，保证行车的安
全性。

因此，掌握向心力实验器的原理和使用方法不仅有益于学生的
学习，也对工程实践具有指导意义。

向心力演示器
实验目的
掌握向心力的大小与哪些因素有关，具体关系是什么。

实验仪器
向心力演示器 三个小球（半径相同，两个质量相同）
实验原理
转动手柄，可以使两
个变速塔轮以及长槽和
短槽之匀速转动，槽内的
小球就做匀速圆周运动。

使小球做圆周运动的向
心力由横臂的挡板对小
球的压力提供，球对挡板
的反作用力，通过横臂的
杠杆作用是弹簧测力套
筒下降，从而露出标尺，
标尺上露出的红白相间
等分格子可以显示出两
个球所受向心力的比值。

实验用图
实验步骤
1、w 相同，R 相同，
M 不同，用质量不同的两球做实验，使两个球运动的半径r 和角速度w 相同。

可以看出，向心力的大小与质量有关，质量越大，所需的向心力就越大。

2、M 相同，R 相同，w 不同，使用来呢哥哥质量相同的小球做实验，保持他们运动的半径相同，角速度不同。

可以看出，向心力的大小与转动的快慢有关，角速度越大所需的向心力也越大。

3、M 相同，R 不同，w 相同，仍用两个质量相同的小球做实验，保持小球运动角速度w 相同，运动半径r 不同。

可以看出，向心力的大小与小球运动的半径有关，运动半径越大，所需的向心力就越大。

实验结论
向心力的大小跟物体的质量m ，圆周半径r ，角速度w 都有关系。

其表达式为：r mw F 2
注意事项
（1） 注意防止皮带打滑，尽可能的保证ω的比值不变
（2） 转动速度不宜过快，以免损坏测力计弹簧
（3） 注意仪器的保养，延长仪器使用寿命，并可提高实验可信度
（4）。

向心力实验器原理研究方法一、向心力实验器的基本原理。

1.1 向心力的概念。

向心力是一种很神奇的力呢。

在圆周运动里，它就像一个默默的守护者，总是把物体往圆周的中心拉。

就好比地球绕着太阳转，太阳对地球的引力就充当了向心力，让地球规规矩矩地沿着自己的轨道跑，不会乱跑，这就如同风筝的线，线拉着风筝，不让风筝飞走，向心力就是这么个作用。

1.2 实验器中的向心力体现。

向心力实验器里啊，通常有一个做圆周运动的物体。

比如说小球吧，当我们让小球做圆周运动的时候，就必然有一个力在拉着它向圆心。

这个力怎么来的呢？可能是绳子的拉力，也可能是其他的力。

就像我们在生活中，转呼啦圈的时候，身体对呼啦圈的力就有点像向心力，让呼啦圈绕着我们的腰转起来。

二、研究向心力实验器原理的方法。

2.1 观察法。

这是最基本的方法啦。

就像我们看魔术表演一样，要先看清楚发生了什么。

在向心力实验器中，我们要仔细观察物体做圆周运动的状态。

看小球转得快还是慢，绳子是松还是紧。

就像侦探查案，不放过任何一个小细节。

当我们改变小球的转动速度时，我们可以看到小球运动的轨迹、绳子的拉力大小等都发生了变化。

这就像“牵一发而动全身”，一个因素改变了，整个系统都跟着变了。

2.2 控制变量法。

这个方法可重要了。

就好比我们做菜，要一道一道来，不能乱了顺序。

在研究向心力实验器原理的时候，我们一次只改变一个因素。

比如说，我们先固定小球的质量和转动半径，只改变转动速度，看看向心力怎么变。

然后再固定速度和半径，改变小球的质量，看看又会发生什么。

这就像拆机器一样，一个零件一个零件地拆，搞清楚每个零件的作用。

2.3 测量法。

测量就像是给实验器做体检一样。

我们要测量很多东西，像小球的质量、转动的半径、转动的速度，还有向心力的大小。

这可不能马虎，就像裁缝量尺寸，差一点衣服就不合身了。

比如说，我们可以用天平测量小球的质量，用尺子测量半径，用一些专门的仪器测量速度和向心力。

这些测量的数据就像拼图的碎片，一块一块拼起来，就能让我们清楚地看到向心力实验器的原理全貌。