巧用圆周运动实验

发表时间:2020/7/31   来源:《中国教师》2020年2月第6期   作者:胡新丽
[导读] 在自己制作演示实验仪器的过程中,不断改进不断创新

         摘要:在自己制作演示实验仪器的过程中,不断改进不断创新,发现在竖直平面内的圆周运动中的绳模型,最低点和最高点绳上拉力大小之差为6mg,这个结论要以系统机械能守恒即没有其他力做功为前提,例如如果考虑空气阻力,就如实验中得出的数据一样,小球从最低点到最高点过程中,最低点和最高点绳上拉力大小之差略大于6mg,小球从最高点到最低点过程中,最低点和最高点绳上拉力大小之差略小于6mg。
         关键字:实验,竖直平面内圆周运动,数据采集,数据特点,结论
正文:
物理是一门以实验为基础的学科,这句话于我就像一个口号一样,直到我真正创作了一个课堂演示实验,我才深切的感受到,物理是一门以实验为基础的学科,实验是物理学的许多知识与定理的来源,我就在创作演示实验器材的过程中有了有趣的发现。
         我的创想源自于实验室以原有实验:“向心力的研究”的实验器材,包含力学传感器、光电门采集器,朗威数字化信息系统采集实验数据,实验装置如图所示。
         数据点在以横轴为F,纵轴为ω图像里经过一次拟合和二次拟合,经观察看出二次拟合后的图像与采集到的数据吻合。
         于是对F-ω2数据点进行拟合,得到如下图像:
    这个实验的目的是利用朗威数字化信息系统实验室的数据记录和处理系统,运用控制变量法,由图像拟合,得到F=mrω2的向心力公式。
学生们学习了向心力的公式以后,就要解决大量水平面内和竖直平面内的抽象的模型,我在“向心力研究”这个实验的激发下,决定自己试试看能不能做出演示实验帮助学生理解抽象的圆周运动模型。于是,首先做出了定性分析水平面内圆周运动哪个物体先发生相对运动的演示实验器材,随着圆盘转速的增大,离圆心远的物块先发生相对滑动,可以更换物块的位置及质量,都可以看到实验现象是:离圆心远的物块先发生相对滑动。


还有一大类更为抽象的竖直平面内圆周运动,我通常在课堂上会用纸杯装水,做“水流星”来定性演示,能不能定量的让学生直观的感受竖直平面内的圆周运动呢?于是我又自制了可以演示竖直平面内圆周运动的实验装置,利用传感器测量竖直平面内做圆周运动小球的绳子拉力的大小,因为传感器如图所示,它的挂钩会使得小球做圆周运动时,绳子绕到挂钩上,这样带来的较大的误差,我从实验室找到这个装置(如图所示)可以使得线不在绕在轴上,把它接在传感器原来挂钩处的位置。
在这个过程中,我深深的体会到毛主席的那句话:办法总比困难多。
当然实验中还遇到很多困难,过程在此我就不一一赘述了,最终的实验器材通过朗威数字化信息系统实验室的数据记录,得到图像
对数据进行记录,记录下每相邻的最大值和最小值为一组数据,如图所示,请学生观察数字特点特点1最大值和最小值均逐渐减小。
根据数据结合方程分析原因:          
学生总结:原因空气阻力影响速度逐渐减少,使得绳上拉力变小
特点2最大值和最小值差值近似相同
根据数据结合方程分析原因:
得到结论,进而得到更有价值的结论是在忽略空气阻力的情况下,即没有其他力做功的情况下绳上拉力最大值和最小值大小之差才满足6mg,而在以前的教学过程中,我只强调了差值为6mg,从未在意过前提是机械能守恒,从而说明,这个实验通过拉力差在误差允许的范围内等于6mg,也可以作为验证机械能守恒定律的创新实验。
         更加让我欣喜的是,有学生观察数据并提出问题:特点3差值有大小大小大小的波动。
         这是什么原因造成的呢?结合数据,结合方程
          得到结论:在考虑空气阻力做功的情形下,由最低点到最高点过程,绳上拉力最大值和最小值大小之间的差值略大于6mg,而由最高点到最低点过程,绳上拉力最大值和最小值大小之间的差值略小于6mg,所以数据表格里的差值会出现大小大小的波动。
    在这次的自制演示实验器材的过程中,我感触颇深,从实验的不断改进到最终的成功,中间虽然付出很多艰难的努力,但最后从实验数据中得到的启示,真是太珍贵了。
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