J2130传统向心力演示仪的创新改进-4页word资料
向心力大小实验的改进与创新
水 平 面 内 圆 周 运动 的轨 道 平面 ，并将橡皮筋调整至与圆
周 运 动 轨 道 平 面 重 合 的 高 度 上 ，测 出 悬 点 到 橡 皮 筋 的 高
度办。
③
再 次 在 桌 面 上 轻 晃 饮 料 瓶 几 圈 后 停 下 ，钢球在
瓶 内 做 水 平 面 内 的 圆 周 运 动 ，当 钢球 与瓶的撞 击声 消
通过受力分析得到向心力F =
wgtan 0,其中 tan 0= h 用秒表记 录 时 间 ，再 通 过 纸 上 的 圆 测 出 钢 球 运 动 的 半 径 ，进而得出
线 速 度 ，利 用 公 式 计 算 出 向 心 力 ^ 与 F =w gtan 0
近似 相等 ，从而粗略验证向心力大小的表达式。 该实验方案有两大弊端:一是使小球在纸面上做
计 验 证 向 心 力 实 验 ，如 图 1 所 示 。
用 细 线 悬 挂 一 个 钢 球 ，细 线 上
〇
端 固 定 在 铁 架 台 上 ，将 画 有 几 个 同
心 圆 的 白 纸 置 于 水 平 桌 面 上 ，使钢
球 静 止 时 正 好 位 于 圆 心 ，用 手 带 动
钢球使它沿纸上的某个圆周运动，
二 、探 究 向心 力 大小 的表 达 式 人 教 版 新 版 教 材 必 修 第 二 册 中 ，设计探究向心力 实 验 如 图 3 所 示 。利 用 向 心 力 演 示 器 ，转 动 手 柄 ，将 小 钢 球 置 于 长 槽 4 的 不 同 横 臂 位 置 上 ，根 据 标 尺 8 上 露 出 的 红 白 相 间 等 分 标 记 ，可 以 粗 略 计 算 出 两 个 球 所 受 向 心 力 的 比 值 ，可 以 探 究 向 心 力 与 质 量 、半 径 、角速 度的关系。
向心力定量演示仪的创新设计
向心力定量演示仪的创新设计作者：陆英来源：《物理教学探讨》2019年第05期摘 ; 要：“向心力”是高中物理教學的难点之一。
传统的手摇式向心力演示仪仅能进行半定量探究，难以定量地探究向心力与半径、角速度和质量之间的关系。
笔者利用简单的材料，设计出一种操作简单、原理直观、读数方便、误差较小的向心力定量演示仪，使学生能够通过探究法，定量研究与向心力大小有关的物理量，加强学生对向心力公式的认知，提高教学效果。
关键词：向心力;器材创新;探究法;定量研究中图分类号：G633.7 文献标识码：A ; ;文章编号：1003-6148（2019）5-0048-3按照2018年江苏省高中物理实验教学的要求，高一学生应当通过分组实验，探究向心力大小与半径、角速度、质量的关系。
笔者总结多年的教学经验，结合传统向心力实验器材，设计了新的实验工具，以更好地提高本知识点的教学效果，强化学生对向心力的掌握。
1 ; ;实验器材的设计一直以来，向心力都是非常重要的知识点，同时也是教学的难点，特别是如何让学生掌握向心力公式F=mω2r中几个物理量之间的关系。
原教材中的实验先后用到两种器材，分别是手摇式向心力演示仪和圆锥摆向心力演示仪，但这两种器材均存在较大的不足。
其中，手摇式向心力演示仪存在以下一些不足：实验时不能保证物体做匀速圆周运动，实验器材的结构较为复杂，实验不能精确计算力的数值，只能实现半定量探究。
圆锥摆向心力演示仪存在以下一些不足：只能验证向心力表达式，而不能进行探究，实验时不能保证小球做匀速圆周运动，小球运动过程中的运动半径变化较大，用秒表测量运动周期的测量误差较大。
为此，笔者设计了新实验器材进行改进。
1.1 ; ;设计理念新实验器材可以实现以下三项功能：（1）根据向心力公式F=mω2r， F、m、ω、r四个物理量能够通过实验装置较为直观地读出，且误差极小。
（2）质量m、角速度ω和半径r其中两个物理量不变的情况下，第三个物理量自由可调，特别需要强调的是，ω和r在匀速圆周运动的实验过程中，需要能在一段时间内保持一个稳定的数值。
向心力演示实验的改进与创新
向心力演示实验的改进与创新张晓琳(北京市顺义区第一中学㊀北京㊀１０１３００)(收稿日期:２０１８１１０７)摘要:立足于高中物理课堂教学,运用学生比较熟知的原理,对传统的向心力演示实验进行改进与创新,改变了传统实验只能验证向心力与角速度㊁运动半径关系的现状．本实验既可以采用 验证 又可以采用 探究 的方式对向心力㊁质量㊁半径㊁线速度间的关系进行探讨．同时,操作简便㊁取材简单．既能作为课堂演示实验,又能作为学生分组实验．关键词:向心力实验㊀改进㊀创新㊀㊀在传统的物理教学中,推导出向心力的数学表达式F 向＝m v ２r ＝m ω２r 后,我们常常用向心力演示仪(图１)对表达式进行实验验证．但是此向心力演示实验只能验证向心力F 向与角速度ω,半径r 间的定量关系,而且验证数据比较单一．图１㊀向心力演示仪我们能否对向心力F 向,质量m ,运动半径r ,线速度v 间的关系,进行定量验证呢?笔者在准备实验教学时,做了如下(原理如图２所示)改进．改进１:让质量为m 的小球在如图２所示位置静止释放,当小球碰到固定铁钉瞬间,可看作是以铁钉为圆心,半径为r 的圆周运动．同时,拉力传感器记录小球所受拉力大小F ,光电门可以测量小球在最低点时的运动速度v ．这样我们就可以由F 向＝F －m g 来验证向心力F 向,质量m ,运动半径r ,线速度v 间的定量关系了．图２㊀向心力演示仪改进原理示意图改进２:改变固定铁钉的(上下)位置即可改变半径r ,改变固定横梁的(上下)位置释放小球即可改变小球在最低点的速度v ,换不同的小球可以改变小球的质量m ．改进后的实物图如图３所示．图３㊀改进后的向心力演示仪优越之处:我们可以采用 控制变量法 ,探究向心力F 向,质量m ,运动半径r ,线速度v 间的定量关系．同时,本实验立足于高中物理课堂教学,运用学生比较熟知的原理,操作简便㊁取材简单．既能作为课堂演示实验,又能作为学生分组实验． １９ ２０１９年第７期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀物理通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀物理实验教学。
第31届全国青少年科技创新大赛获奖名单 专项奖获奖名单(节选)
7
江苏
苏雪松
IO16071
智能自理床
7
梁春火
OT16055
8
辽宁
张国新
OT16018
自制刀口仪
8
张友华
PH16108
9
福建
陈剑峰
PH16039
J2130 传统向心力演示仪的创新改进
9
香港
劉子健
TE16048
10
浙江
翁浩峰
PH16062
虚实结合的智能电学实验板
10
天津
纪宝伟
TE16054
十佳科技教育创新学校
福建省顺昌县第一中学 新疆生产建设兵团第二师华山 中学 上海市静安区青少年活动中心
变废为宝，建我生态教室 华山中学环塔里木盆地文化传承暨综合科考夏 令营 科技小创客 创业大梦想——“小创业家”系列 活动
9
福建省
福建省同安第一中学
9
10
澳门特别行政区
澳门培正中学
10
（以上为第 31 届全国青少年科技创新大赛获奖名单节选，详见：/index.aspx）
专项奖获奖名单（节选）
（按项目编号排序）
十佳优秀科技辅导员
2
天津
曹可欣
EN163084
3
上海
蒋嵘
MA163006
四分块矩阵 Drazin 逆的表示
科技辅导员创新奖专项奖
序号 代表队 姓名 项目编号 项目名称 北京市公共自行车系统站点分布优化 科教方案 天然酸碱指示剂的制取和性能测试
序号 代表队
姓名
项目编号
3
山东省
山东师范大学附属小学
3
北京市朝阳区青少年活动中心
向心力表达式演示实验的改进
④利 用 图像 软 件对 连 拍 的 照片 进行 处 理 ， 可
制作成小 球运 动 的频 闪 照片 ， 可把 小 球运 动 的 也 动 态过程 进行定 格 ， 深学 生 对 小球 做 圆周 运 动 加
盘 到 悬 点 的 距 离 日，
② 利用 顶置 高 清摄 像 头 ， 清 晰记 录小 球 做 能
圆周运 动过 程 ， 并将 影像呈 现在投 影屏 上 ， 解决 了 学生从 侧面 无法观 察小球 做 圆周 运动 的不足 。
求出运 动平 面 到悬 点
的距 离 ｈ＝Ｈ —ｄ ２ ／。
③ 利用摄 像软 件可对小 球做 圆周运 动过程进
小 球 圆周 运 动 的 视 频 和 频 闪 照 片 辅 助 向心 力 概
铝塑 圆板 １块 （ｂ６ ｍ） 高清 摄像 头 １ 。 ￣ ｃ ， ３ 个
３ 制 作 方 法
① 如 图 １ 用 木 材 制 作 ４ ｃ ×４ ｃ 底 座 ， ， ０ｍ ０ｍ 在 底 座 ４个 角上安 装 水 平 调 节 螺 丝 ， 于调 节 底 座 用
⑥ 用秒 表测 出小球 在 相应半 径 ｒ 动 ｎ圈的 运
时 间 ｔ求 出周期 Ｔ＝ｔｎ ， ／
⑦ 还原 小 球 在 相 应半 径 ｒ 动平 面 ， 直 细 运 拉
《 学仪 器与实验 》 ２ 教 第 ６卷 ２ １ ０ ０年 第 １ 期
・ ９ １ ・
线， 调节 圆盘 高度 ， 然
后从刻 度尺 上读 出 圆
圆孔 中 。
③ 在 玻 璃 圆 心 的 正 下 方 ， 定 １根 直 径 为 固 ６ ｍｍ、 长为 ６ ｃ 的金属 杆 ， 上 套上 ｄ ６ ｍ可 升 ０ｍ 杆 ￣ ｃ ３ 降 圆盘 ， 圆盘 用铝 塑板 制作 ， 上表 面 画上带 刻度 的
电子秤式向心力演示仪
实验教学电子秤式向心力演示仪江苏省高邮市第一中学（225600）于淼圆周运动是曲线运动中一种典型的运动，是咼中物理教学中比较重要的内容，为了使学生对圆周运动更好地理解和运用，可以通过一些创新实验来帮助学生学习。
本文就巧妙地利用电子秤设计的 实验进行了向心力大小的定量研究。
1感受向心力及其影响因素实验器材:弹簧测力计、不锈钢铁球、细线、旋 转平台（电动机是步进电机，可以定速旋转）、PVC 管、热熔枪和热熔胶、定滑轮、电源、导线等。
如图1所示,用热熔胶将定滑轮和PVC 管固定在旋转平台上，用细线将不锈钢铁球连接到弹簧测力计上，并将电动机接到电源上,接通电源后铁球随着平台一起旋转做圆周运动，可以看到弹簧测力计上的读数，该读数等于铁球所受的向心力大小（不锈钢铁球与平台的摩擦力非常小,可以忽略）。
探究向心力的影响因素：①保持平台转速、铁球与定滑轮之间线的长度（圆周半径）不变, 改变铁球的质量，发现铁球质量越大，弹簧测力计的读数越大，说明向心力与质量有关；②保持 转速和铁球质量不变，改变铁球与定滑轮之间线 的长度（圆周半径），发现圆周半径越大，弹簧测力计的读数越大，说明向心力与圆周半径有关;③保持铁球质量、铁球与定滑轮之间线的长度（圆周半径）不变，改变平台转速，发现平台转速越大，弹簧测力计的读数越大，说明向心力与平 台转速有关。
即向心力与质量、转速和圆周半径有关，通过实验2可以得到它们的定量关系。
2定量研究向心力与质量、圆周半径和转速的关系实验器材：迷你电子秤、不锈钢铁球、旋转平台（电机是步进电机，可以定速旋转）、微型摄像头、木板、PVC 线槽、热熔枪和热熔胶、电源、导线等。
如图2所示，将微型电子秤固定在木片上,取一小段PVC 线槽靠近电子秤并固定在板上（PVC 线槽比较光滑，铁球和PVC 线槽间的摩擦力非常小），把铁球放到PVC 线槽中，将无线摄像头固定在木板上（可以记录电子秤上的读数），通过螺丝将该整体固定在平台上（在平台上打了不同半径的孔，可以改变铁球做圆周运动的半径），在平台上对称的另一侧放上与电子秤等整体质量相等的配重。
匀速圆周运动向心力定量分析演示仪的改进
匀速圆周运动向心力定量分析演示仪的改进作者：骞一铭帅晓红来源：《物理教学探讨》2020年第12期摘要：针对现有的两种教科书中的向心力实验与一些现有“向心力演示仪”的不足。
结合圆周运动教学的难点，通过改变电机转速、运动半径、运动对象质量等参数，制作了定量分析向心力大小的演示仪。
关键词：向心力;定量分析;控制变量;演示仪中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2020）12-0049-31 引言在中学物理实验仪器中，研究匀速圆周运动中向心力的大小的实验仪器，当只使用一个小球时，不能做到质量、转速、半径三者分别进行控制变量定量研究。
实验成本偏高，实验操作不够方便。
基于此，笔者设计制作一种定量分析向心力大小的演示仪（此仪器参加第九届全国大学生物理教师技能大赛获一等奖），能在较低成本下使用控制变量法测得精确的、实时的、稳定的向心力与对应的频率、质量、半径等的定量关系，能较准确地探究得出向心力与频率的关系、向心力与半径的关系、向心力与质量的关系，从而验证向心力的公式，帮助学生更好地理解向心力公式的含义。
2 现有仪器分析2.1 教科书中实验仪器的不足在人教版《物理》必修2中使用“用圆锥摆粗略验证向心力大小”方法对向心力进行研究。
在教科版《物理》必修2中对使用“手摇式向心力演示仪”实验有详细介绍。
人教版的实验在原理、方法与学生参与性方面都能达到很好的效果。
但在实际操作中存在一些不足：（1）无法确定运动轨迹的半径、转速，无法定量地测量向心力的大小。
（2）小球運动不稳定，通常会进行椭圆运动。
教科版的实验在向心力大小的表示上和运动半径的确定上有了一定的改进，但依旧存在不足：（1）实验中通过手摇产生转速，转速不稳定，转速不能精确测量，只能目测，误差较大。
（2）向心力大小只能粗略表示，不能精确测量。
我们发现教科书中使用的两种实验并不能精确地得到圆周运动向心力大小的表达式。
2.2 现有向心力演示仪的改进针对教科书中实验仪器的不足，不少教师进行了实验仪器的改进。
向心力演示器的改进
7、把测得的数据分别填入设置表格中,根据公式计算向心力与实测向心力进行比较.
8、实验记录
演示
方法
测量
次数
周期T/s
质量
m/kg
半径r/m
F=mv2/r﹝N﹞
实验测得F/N
相差
绝对误差
相对误差
演示方法二,装置如图二所示:
1、在电子秤的适当位置钻一个小孔﹝不影响电子元件﹞能
穿过尼纶线及活动连接.
2、将仪器架上方刻度盘及铁杆拆掉,把电子秤平放在支架上方,将尼纶线穿过小球并打好结,经过定滑轮穿过电子秤小孔及活动连接处,使尼纶线、定滑轮、电子秤小孔在同一竖直平面内,将电子秤去皮清零.
2、记录小球的质量m和小球运动的半径r.
3、打开计算机电源及数字化信息平台，调零，把转动横轴调节
水平．
4、接通电动机电源，先将开关置于1档，依次改变档位可改变小球运动半径和周期，通过力的传感器、数字采集器即时采集小球所受向心力Ｆ和转动周期Ｔ输入计算机，此时在显示器上可观擦到小球转动周期和向心力变化情况．
2、电动机带动塑料槽转动，使滚动小球随塑料槽作匀速园周运动比用手摇动要平稳.
3、用电风扇档位调速开关和铁架台可方便改变转速和小球运动半径.
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J2130传统向心力演示仪的创新改进
1 该项目选题的确定
在现行高中物理教材中，F=Mω2r的确立非常抽象，是教材的重难点。
国内高中物理一直使用的传统J2130演示仪（如图1）。
旋臂转动时，旋转臂上的钢球产生离心现象，沿半径方向移动，改变了半径及动力臂值，测出来的向心力有偏差；该演示仪又是手摇转动，转速不稳定；只能目测向心力的大小，误差很大；实验只能定性地说明向心力大小与半径、角速度和质量的关系[1]。
利用圆锥摆粗略验证向心力的影响因素，如图2。
较难使小球做圆周运动及确定摆球沿哪个圆做圆周运动，导致半径R及H值误差大[2]。
近年来的DISLab数字化实验平台，虽然数据很精确，但价格较贵。
有的实验设计软件复杂，但实验过程却淡化了[2]。
为解决以上的问题，笔者在理论与实践结合的过程中，对传统仪器向心力演示仪进行改进。
2 本实验仪器简介
2.1 仪器制作的主要材料
Visual Basic、无线鼠标、光电感应开关、STC89C52单片机自制无线向心力测量装置、计算机、稳压电源、开关、减速电机、调速电路、砝码、自行车辐条、黑色挡光杆、有机玻璃（三角支架、旋转轴、底座等）、螺丝若干、导线若干。
2.2 制作说明
用有机玻璃做成底座；利用红外光电感应开关，将其信号端接入无线
鼠标芯片中，控制IO引脚；利用Visual Basic语言编写单击计时程序（千分之一秒），自制光电门；将砝码中心打个直径为2 mm的孔（自行车辐条刚好穿过），砝码的侧面钻螺丝孔（将砝码固定在辐条上），在转板上以中心点为0刻上刻度线（用来快速控制、读出半径值）；切割有机玻璃条做成旋转轴板，在轴板的一侧固定两块三角形凹槽支架，用来架设轴杆，最外侧固定挡光杆；采用STC89C52单片机研制无线向心力测量装置，利用VB上位机通过串口与单片机通信；软件界面设计为一主界面及三实验界面组成。
可以从主界面进入任意一实验界面，也可从任意一实验界面返回主界面；实验界面之一的计时栏，在TEXT显示周期值，并通过公式自动转化为角速度显示在TEXT1中。
通过Visual Basic语言实现自动记录数据（鼠标的光标移到哪个空格，数据将自动填入该空格），为实验探究节省了大量的时间；利用Visual Basic语言调用EXCEL，实现快速处理数据（描点、拟合显示物理量的关系）。
每个实验界面设计有截图功能，实现快速保存数据及结论[3]。
2.3 整体系统图（如图3、图4）
2.4 实验过程
2.4.1 实验步骤
（1）打开计算机，组装好仪器，打开向心力实验软件的主界面，进入相应的实验界面；
（2）利用电子秤分别测量砝码的质量（包括指针），将横杆穿过砝码中心，外端上个螺丝固定，将横杆架设在三角形支架的凹槽内，横杆的另一端与无线向心力测量装置的挂钩对接；
（3）读出砝码上指针对准的刻度，记录半径R；
（4）闭合开关，旋转结构转动，稳定后记录旋转的周期，软件根据ω=2π/t自动算出角速度，并显示在TEXT1中，将鼠标光标移至角速度数据栏，TEXT1中的角速度值将自动记录在对应的表格中；同时，无线向心力测量装置自动将向心力的测量记录到对应的表格中；
（5）调整调速旋钮，改变角速度ω，重新测量F（探究F与ω的关系）；
或改变砝码的质量，并调整调速旋钮，控制角速度ω恒定，重新测量F（探究F与M的关系）；
或改变半径R，并调整调速旋钮，控制角速度ω恒定，重新测量F（探究F与R的关系）；
（6）分析数据，点击描点按钮，软件调用EXCEL完成绘图，并在相应的界面显示出来；点击拟合按钮，后台将对数据点进行拟合，并将两物理量间的关系通过公式显示出来；
（7）得出实验结论。
2.4.2 实验数据（图5―图7）：
2.4.3 实验结论
做圆周运动需要的向心力与物体的质量成正比，与半径成正比，与角速度的二次方成正比。
3 该项目的主要贡献（创新部分）
在现行高中物理教材中，F=Mω2r的确立非常抽象，是教材的重难点。
为解决高中物理在“探究影响向心力大小因素”的实验仪器存在的不足。
本仪器利用Visual Basic语言，利用无线鼠标自制光电计时器及STC89C5单片机，对传统仪器向心力演示仪进行创新改进：
第一、改进后的实验仪器更直观，操作简便，数据精确；
第二、通过Visual Basic语言设计的软件实验界面，更人性化，方便数据的记录及数据的处理，为实验探究节约大量的时间；
第三、通过定量探究得到物理规律，学生对知识点的理解和记忆更加深刻，也培养实验思维能力和开拓创新能力，提供了丰富多彩的教育环境。
既弥补课堂教学的不足，也让学生体会到生活、技术中的物理。
不仅能够让学生感到新鲜有趣，倍感亲切，也对老师的能力产生敬佩感；
第四、改进后的仪器成本更低（选材都是生活中常见的），有利于推广（特别是农村中学）。
希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：
1、生命对某些人来说是美丽的，这些人的一生都为某个目标而奋斗。
2、推销产品要针对顾客的心，不要针对顾客的头。
3、不同的信念，决定不同的命运。