自制圓周運(yùn)動(dòng)演示儀-自制教具展示作品文章之四

1、自制圓周運(yùn)動(dòng)演示儀-自制教具展示作品文章之四自制圓周運(yùn)動(dòng)演示儀自制教具展示作品文章之四溫慧妍（黑龍江省柴河林業(yè)局第一中學(xué)黑龍江牡丹江 157131）（收稿日期：2 0 1 5 0 1 2 3 ）摘要：利用塑料漏斗、圓木板、U S B電動(dòng)小風(fēng)扇、小球等生活物品制作簡(jiǎn)單的圓周運(yùn) 動(dòng)演示儀，可以演示勻速圓周運(yùn)動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng)、向心運(yùn)動(dòng).儀器比較小巧，既可用于演示實(shí)驗(yàn)，也可用于分組 實(shí)驗(yàn)和課外研究性學(xué)習(xí).關(guān)鍵詞：圓周運(yùn)動(dòng) 自制 演示儀勻速圓周運(yùn)動(dòng)是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，無(wú)論是在力學(xué)還是電磁學(xué)中都占有重要地 位，而離心運(yùn)動(dòng)、向心運(yùn)動(dòng)在天體變軌中也有著重要應(yīng)用，基于以上原因筆者設(shè)計(jì)了這個(gè) 圓周運(yùn)動(dòng)演示儀器.

2、1 主要實(shí)驗(yàn)器材地板塊（長(zhǎng)21cm，寬19cm，厚1cm） 1塊，USB （3）擺球：將小金 屬球裹一層薄棉布，可染印色油或紅墨水，以便記錄小球平拋落點(diǎn)位置.用細(xì)線（縫紉線） 懸掛小球，細(xì)線的上端固定在豎直坐標(biāo)板上的O點(diǎn)，調(diào)節(jié)擺長(zhǎng)，使得小球豎直懸掛時(shí)最低 點(diǎn)B到水平坐標(biāo)板的豎直高度h 2 = 6 0 c m.（4）在豎直坐標(biāo)板中部鉆孔裝一短木塊，并在木塊底面固定一剃須刀片，刀片平面 取水平方向，刀刃應(yīng)與擺線的運(yùn)動(dòng)方向v斜交而不要垂直，這樣才能迅速把線切斷.仔細(xì) 調(diào)整刀刃的位置，使之恰好能在球擺到最低點(diǎn)時(shí)把線切斷，切斷處應(yīng)盡量靠近擺球.4 使用方法如圖2所示，以豎直坐標(biāo)板為基準(zhǔn)，把擺球拉到離B點(diǎn)

3、某一高度的A處，并由靜止開(kāi)始釋放.電動(dòng)小風(fēng)扇（內(nèi)裝2節(jié)5號(hào)電池，去掉上面的扇葉）1個(gè)，直徑為1 9 cm塑料漏斗 1個(gè)，圓木板（直徑2 3cm，厚1. 5mm） 1塊，直徑為2 c m塑料小球3個(gè)，長(zhǎng)個(gè)， 雙擋旋鈕開(kāi)關(guān)1個(gè)，3個(gè)材料、大小相同、顏色不同的小磁貼.4 . 6 cm輕彈簧1個(gè)，直徑為13. 5cm電水壺底座1點(diǎn)B時(shí)，線被切斷，球被平拋出去，落在水平坐標(biāo)紙E上，打出痕跡，記錄落地點(diǎn)C, 利用水平坐標(biāo)方格讀出水平射程s .改變h 1高度，(可以取h 1 = 2 0 c m及3 02cm),重復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算s是否與4 h 1 h 2近似相等，得出機(jī)械能是否守恒的 結(jié)論.記錄的數(shù)據(jù)如表1

4、所示.表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)hl/mh2/m4h1h2/m2s/ms 2/m2 TOC o 1-5 h z 10 0.6 00.2 40.48 50.23520 0.6 00.4 80.68 50.46930 0.6 00.7 20.84 00.7 0 65設(shè)計(jì)反思本實(shí)驗(yàn)裝置取材簡(jiǎn)單，原理明了，現(xiàn)象直觀.將實(shí)驗(yàn)中難以測(cè)量的速度v轉(zhuǎn)化為更易 測(cè)量的長(zhǎng)度s,實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有采用實(shí)驗(yàn)室提供的當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭的值，從原理上規(guī)避了重 力加速度g的取值所可能帶來(lái)的問(wèn)題.但是，該實(shí)驗(yàn)裝置也存在一些不足，每做圖2機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)裝置圖一次實(shí)驗(yàn)就要重新懸掛擺球并調(diào)節(jié)擺長(zhǎng)，在操作上略顯繁雜，有待于今后加以改進(jìn).取AB之間的高度差h

5、 1 = 1 0 cm,當(dāng)球擺到最低一9 8一2主要部件的制作(1 )把U S B電動(dòng)小風(fēng)扇上面的扇葉去掉，將扇葉后面的小電動(dòng)機(jī)由水平位置扭轉(zhuǎn) 到豎直，將小電動(dòng)機(jī)下面的塑料支柱截去，取剩余的2 cm一段，在支柱外面套一外徑3 5 mm的塑料圓管以起穩(wěn)固、支撐作用，如圖用十字改錐轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)螺絲釘將圓錐形漏斗固定在小電動(dòng)機(jī)上，在漏斗中放一小球，將 雙擋旋鈕開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至低擋位，隨著漏斗轉(zhuǎn)速的增大，發(fā)現(xiàn)小球做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑增大；當(dāng)漏 斗轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；接下來(lái)關(guān)閉電源，漏斗轉(zhuǎn)速逐漸減小，小球做向心 運(yùn)動(dòng)（圖）.圖1圓周運(yùn)動(dòng)演示儀實(shí)驗(yàn)裝置取直徑4 7mm的圓木片用AD膠粘在風(fēng)扇轉(zhuǎn)頭上，在圓木片上

6、鉆兩個(gè)小孔（對(duì)準(zhǔn)風(fēng) 扇轉(zhuǎn)頭上的兩個(gè)小孔）.（2）將塑料漏斗底部的直管部分鋸掉，將兩塊直徑略大于漏斗底部的圓塑料片用A D膠粘在漏斗底部的內(nèi)外兩側(cè)，在兩個(gè)圓塑料片上鉆兩個(gè)同樣的小孔.用黑色中性筆在木 板上畫一個(gè)半徑為10. 4 c m兩個(gè)小孔的位置各鉆的圓，再在圓木板上圓心位置及對(duì)準(zhǔn) 風(fēng)扇轉(zhuǎn)頭上3個(gè)小孔，用兩個(gè)螺絲釘穿過(guò)兩個(gè)小圓孔，將漏斗或圓木板固定在小電機(jī)上.（3 ）在電水壺底座上挖一個(gè)大小適當(dāng)?shù)膱A洞，把U S B電動(dòng)小風(fēng)扇底座固定在里面, 在底座上打3個(gè)小孔，用螺絲釘把水壺底座固定在地板塊上.再在木質(zhì)地板底座上打孔， 把雙擋旋鈕開(kāi)關(guān)固定在里面，與US B電動(dòng)小風(fēng)扇底座里的電源正、負(fù)接線柱相連

7、接（如 圖1 ） .（4）拿兩個(gè)單擺裝置中的小擺球（要塑料材質(zhì)、直徑為2 cm的，這樣就不用再在 小球上打孔了），取材質(zhì)較結(jié)實(shí)的細(xì)線，在其一端打個(gè)套，另一端穿入小球的小孔中，并 用AD膠固定住，小球小孔的另一端穿入細(xì)線，用AD膠固定，細(xì)線另一端連接輕彈簧， 用同樣的方法把彈簧另一端固定在另一小球上.3實(shí)驗(yàn)裝置的使用（1 ）感受勻速圓周運(yùn)動(dòng)、向心運(yùn)動(dòng)圖2再在圓錐形漏斗中放一塑料球，打開(kāi)雙擋旋鈕開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至低擋位，當(dāng)漏斗轉(zhuǎn)速增大時(shí)， 放一塑料瓶蓋，最后放一個(gè)乒乓球，對(duì)比它們的運(yùn)動(dòng)（圖）.圖3（2 ）感受離心運(yùn)動(dòng)撤下漏斗，用十字改錐轉(zhuǎn)動(dòng)螺絲釘將圓木板固定在小電機(jī)上，在圓木板上不同位置放 上3塊材料相同的

8、小磁貼（圖4）,打開(kāi)開(kāi)關(guān)至低擋位，小磁貼隨木板一起做圓周運(yùn)動(dòng)， 隨著木板轉(zhuǎn)速的增大，半徑越大的小磁貼越先脫離木板做離心運(yùn)動(dòng).圖4(3 )感受彈簧連接的兩小球的圓周運(yùn)動(dòng)在圓木板上放上中間連有彈簧的兩個(gè)小球， 其中的一個(gè)小球用細(xì)線連接，細(xì)線的另一端固定于圓木板圓心位置的鐵釘上，讓細(xì)線剛好 拉直，彈簧處于原長(zhǎng).讓外側(cè)小球的球心對(duì)準(zhǔn)圓木板上黑色的圓形一9 9細(xì)線，如圖5所示.將雙擋旋鈕開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至高擋位，兩個(gè)小球隨圓木板一起轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著 圓木板轉(zhuǎn)速的增大，發(fā)現(xiàn)外側(cè)小球做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑明顯變大，如圖6所示.B球加速度繩子拉力T = m 1 co 1 1 + m 2 co ( 1 1 + 1 2 )22(2)線

9、燒斷瞬間，A球加速度2 a 1 =1a 2 = = co ( 1 1 + 1 2 )這是一道比較典型的圓周運(yùn)動(dòng)習(xí)題，很多學(xué)生圖5看到這道題時(shí)會(huì)感到難度很大，不知如何下手、如何圖64儀器設(shè)計(jì)思路勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種常見(jiàn)、重要的運(yùn)動(dòng)模型，不論是在力學(xué)中還是在電磁學(xué)中都有重 要的應(yīng)用，而離心運(yùn)動(dòng)、向心運(yùn)動(dòng)在衛(wèi)星變軌問(wèn)題中也有重要應(yīng)用，但在教材中并沒(méi)有這 類演示實(shí)驗(yàn)，基于以上原因筆者設(shè)計(jì)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器.而感受彈簧連接的兩小球的圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)來(lái)源于如下習(xí)題.【例題】A, B兩球質(zhì)量分別為m 1與m 2 ,用一勁度系數(shù)為k的彈簧相連，一長(zhǎng)為1 1的細(xì)線與A相連，置于水平光滑桌面上，細(xì)線的另一端拴在豎直軸O O

10、上，如圖 7所示，當(dāng)A與B均以角速度 3繞O O軸做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧長(zhǎng)度為1 2 .求：(1 )此時(shí)彈簧伸長(zhǎng)量多大，繩子張力多大；(2 )將線突然燒斷瞬間兩球加速度各多大.圖7答案：(1)彈簧伸長(zhǎng)量 1 =2 10 0分析！其實(shí)，只要讓學(xué)生看看這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，問(wèn)題就一下暴露出來(lái)了，難度就沒(méi)有看 起來(lái)的那么大，學(xué)生在處理起來(lái)就要輕松得多，而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也會(huì)深深地印在他們的 大腦之中，讓他們注意到觀察與實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科中有多么重要！ 5 儀器特點(diǎn)(1)全部由廢棄材料制作而成底座是由裝修房屋剩下的復(fù)合地板塊以及用壞的電水壺底座改裝的，中間部分是由廢 棄的US B電動(dòng)小風(fēng)扇改裝成的，圓木板是由廢棄的膠合板制成的，雙擋旋鈕開(kāi)關(guān)是從用 壞的電暖風(fēng)上拆卸下來(lái)的.(2)具有實(shí)用、簡(jiǎn)單、直觀、易于制作的特點(diǎn)本儀器的制作比較簡(jiǎn)單，現(xiàn)象直觀， 這樣做的目的意在對(duì)學(xué)生進(jìn)行一種暗示.比如在安裝圓木板時(shí)，用的是最原始的方式一一 一用十字改錐來(lái)安裝，其實(shí)也可以用卡槽的方式，即把原木板或漏斗向下一按，卡在小發(fā) 動(dòng)機(jī)上面的凹槽里，這樣既美觀、又方便，但“用十字改錐來(lái)安裝”這種最原始的方式會(huì) 讓學(xué)生感到這個(gè)儀器安裝很簡(jiǎn)單，制作不太難，材料也容易找到，如果試一試，他