一种电动离心力定量分析演示装置

代 伟，龚韩莉

(西华师范大学 物理与空间科学学院，四川 南充 637002)

离心力是指物体在绕圆心做圆周运动时所产生的背离圆心的力，离心力在生活中的应用处处可见，如洗衣机的脱水筒，离心机以及修路时道路弯道处的路面设计成外高里低等都是离心现象在生活中的巧妙运用。由于离心力是一种惯性力、虚拟力，并不是真实存在的力，因此，在高中物理教学中老师如果没有直观的演示教具只用抽象的语言来描述抽象的离心力这一物理现象学生不易理解[1-3]。

现有的离心力教学演示教具演示效果不太好，功能不够丰富，不便于学生定量探究离心力公式。为了解决离心力教学过程中遇到的困难，帮助教师更好地进行定量探究和演示离心力与各物理量之间的定量关系，减小实验误差，我们对已有的电动离心力定量分析演示仪进行了改进。新的演示装置通过改变电机转速，金属小球直径大小和小球旋转半径可定量演示和探究离心力公式。新设计的电动离心力定量探究演示装置成本低，结构简单，制作材料易得，加之仪器外形美观，很有创意，更能在课堂上吸引学生的注意力，激发学生对自制教具的渴望，对培养学生创新精神，实验探究能力，分析问题和解决问题的能力等都有帮助[4-6]。

1 电动离心力定量分析演示装置的结构

演示装置如图 1所示。

图1 改进后的电动离心力定量分析演示装置

仪器有一底座，在底座上方的中心位置安装固定一调速直流电机，电机由可调稳压直流电源供电。在电机的轴上安装固定一个用亚克力板制作而成的水平板，水平板中心位置开有5 mm宽的滑槽。用来安装和固定电子秤的两个矩形亚克力盒对称安装在水平板的两侧。矩形亚克力盒底部粘接有两颗锁紧螺丝，锁紧螺丝从水平板滑槽中穿过，当矩形亚克力盒尺寸位置确定好后，拧紧锁紧螺丝上的紧固螺母可将矩形亚克力盒固定在水平板上。两个带读数锁定装置的电子秤通过矩形亚克力盒上方的固定螺丝可将电子秤固定在亚克力盒上。买来的电子秤需将其挂钩取掉，在原来装挂钩的杆上装上用亚克力制作而成的圆形推盘，圆形推盘安装方法如图 2所示。

图2 圆形推盘与电子秤的安装

演示装置采用对称设计，金属小球、亚克力盒、电子秤对称安装在水平板的左右两边，该设计的优点在于：一是可以保证仪器在使用过程中运转非常平稳；二是离心力的测量值可以取两个电子秤读数的平均值，使测量结果更加精确。装置的水平板下方安装有磁铁，安装在底座上的磁控转速传感器可对电机的转速准确测量。水平板制作时，中心段为了增加板子的强度和防止金属小球滚落到地上，用两块厚度相同的亚克力板叠装并粘接而成。由于水平板中心位置开有5 mm宽的滑槽，靠近圆心一侧有叠装凸起的亚克力板，另一侧又有圆形推板，放入的小球只在槽中滚动而不会掉落到地上，这样小球做离心运动时就会沿中心滑槽向外作离心运动并推压电子秤前端的圆形推盘。

2 电动离心力定量分析演示装置的结工作原理

根据图 1，定量探究物体做离心运动的离心力公式时保持小球的质量m和小球旋转角速度ω不变，调节好金属小球的中心到电机中心之间的距离为r,此距离即为金属小球做离心运动时的旋转半径r，当电机运转平稳后，读出电子秤锁定的读数可探究F离与r之间的定量关系；保持小球的质量m和半径r不变，调节电机转速，可探究F离与ω之间的定量关系；保持ω和半径r不变，改变m大小，可探究F离与m之间的定量关系。最终通过多次测量得到的实验数据分析可推导得出离心力公式F离=mω2r。

3 定量探究离心力F离大小与半径r、质量m和角速度ω的关系

3.1 定量探究离心力F离与半径r的关系

保持小球的质量m和旋转角速度ω一定，改变矩形盒离中心的位置，通过水平板上的刻度尺读出几组不同半径，用电子秤测出不同半径所对应的离心力大小，取左右两边电子秤的平均读数作为测量值。

由表1和图 3可以很直观地得到当m与ω保持不变时，F离与r成正比关系。

表1 离心力F离与半径r的关系(d=25 mm，m=0.064 kg，n=100 r/min，ω=10.47 rad/s)

图3 F离-r关系图

3.2 定量探究离心力F离与质量m的关系

保持小球的半径r和旋转角速度ω一定，更换不同质量的小球，通过计算得出不同直径金属铁球的质量m(ρ=7.85 g/cm3)，用电子秤读出不同质量小球所对应的离心力大小，取左右两边电子秤的平均读数作为测量值。

由表2和图 4可以很直观地得到当r与ω保持不变时，F离与m成正比关系。

表2 离心力F离与质量m的关系 (r=0.12 m,n=100 rad/min，ω=10.47 rad/s)

图4 F离-m关系图

3.3 定量探究离心力F离与角速度ω的关系

保持小球的质量m和旋转半径r一定，改变加在直流电机两端的电压，通过转速传感器准确测量换算几组小球角速度ω大小，用电子秤测出不同角速度所对应的离心力大小，取左右两边电子秤的平均读数作为测量值。

由表3和图 5、图6可以得出，当m，r一定时，F离与ω2成正比关系。

表3 离心力F离与角速度ω的关系(m=0.064 kg，r=0.12 m)

图5 F离-ω图像

图6 F离-ω2图像

上述定量探究离心力的实验中通过选取不同的m，ω和r进行实验，将实验测得的离心力F测与理论值F理进行比较，测量相对误差都在3%以内，所以改进后的电动离心力演示仪能对离心力公式F离=mω2r进行很好的定量演示和探究。

5 结 语

物理学是一门以实验为基础的学科，许多物理理论对人们的生产和生活起指导作用，生活中的许多科技发明都离不开物理知识。为了培养创新人才在中学物理教学过程中对学生物理学习兴趣的培养非常重要，一个好的物理实验方案设计，一个富有创意的教具不但能够培养学生对物理的学习兴趣，还能帮助学生深刻理解所学知识点。改进后的电动离心力定量分析演示仪很好地实现了上述目的，解决了实验结果测量准确方便，实验现象明显，实验操作简便，还可让学生参与其中。利用该教具开展离心力教学能很好地突破教学重难点，极大地提高了离心力这一课时的教学效果，同时也培养了学生的分析问题能力，激发了学生的物理学习兴趣，开阔了学生的创新思维能力。