創新實驗：多功能測量儀

劉英惠

摘 要： 在向心力驗證的實驗中發現，學生操作這個實驗時普遍存在以下問題：1.用手動使小球做圓錐擺運動，由于空氣阻力等多種因素的影響，圓錐擺的運動非常不穩定且由于學生的實驗手法常常使小球的運動偏離圓周，使探究實驗失去基本的科學性。2.運動周期的測量為觀測n圈用秒表計時，耗時長誤差大。3.在觀察運動半徑時由于擺動不穩定且觀察時間較長經常在觀察的時間內，小球的運動就發生了變軌現象造成觀測不準。4.測量高度時要測量懸點距離小球旋轉平面的高度，由于小球的運動平面距離紙面還有一定的高度就造成了測量的困難。

關鍵詞： 觀察與發現 創新與收獲 多功能測量儀

人教版教材必修2在“向心力“這一節設計了一個實驗：驗證向心力的表達式，該實驗曾為吉林省通化市的會考實驗，此實驗能培養學生多方面的實驗素養和動手操作能力。但我在教學過程中發現學生獨立完成這一實驗遇到的困難較多，不能深刻體會實驗的科學性，并且發現會考中有部分同學不能順利完成實驗，由此引發了我對這一實驗的思考。

一、（原）器材與方法

書上設計的實驗所需儀器為一懸吊鋼球的鐵架臺，小球下方放置畫有同心圓的白紙，以及秒表，刻度尺。所用實驗方法：用手帶動鋼球，設法使它沿著白紙上某個圓周運動，然后通過秒表測量周期T，刻度尺測量小球繞著旋轉的那個圓周的半徑r，測量懸點距離圓心的高度h，再計算線速度v，使上述物理量滿足m=mgtanθ=mg，從而驗證向心力的表達式。

二、觀察與發現

教學過程中通過觀察發現，學生對這個實驗進行操作時普遍存在以下問題：

1.用手動使小球做圓錐擺運動，由于空氣阻力等多種因素的影響，圓錐擺的運動非常不穩定且由于學生的實驗手法常常使小球的運動偏離圓周，使探究實驗失去基本的科學性。

2.運動周期的測量為觀測n圈用秒表計時，耗時長誤差大。

3.在觀察運動半徑時由于擺動不穩定且觀察時間較長經常在觀察的時間內，小球的運動就發生了變軌現象造成觀測不準。

4.測量高度時要測量懸點距離小球旋轉平面的高度，由于小球的運動平面距離紙面還有一定的高度就造成了測量的困難。

三、創新與收獲

我針對教學中的觀察和感悟，對這一實驗進行了創新與改造，組裝了一個儀器。我給它命名為“多功能測量儀”。本實驗儀以兩個鐵架臺為框架在中間橫梁上固定一小型電機，一側鐵架上安有激光筆，另一側有刻度標尺，與激光筆配套使用，用以測量h，在擺球正下方配備光電門與帶刻度的平面鏡，用以測量周期與半徑。

1.創新

（1）用小型電機帶動圓錐擺，在實驗過程中只需用手輕輕帶動小球，給它一個動力，小球在一定時間內能做穩定的圓周運動，克服手動的不穩定性且易出錯的弊端。

（2）采用先進電子計時器實現自動計時，使周期測量更方便、準確?？朔A周運動不易觀察與測時誤差較大的弊端。

（3）為了使高度的測量更準確便捷。利用激光筆輕易即能確定旋轉平面的高度，在對面的刻度尺上打出激光點，標明懸點距離圓心的高度。

（4）采用帶有刻度的平面鏡放于小球下方，確定圓錐擺旋轉的圓心，即可通過擺球在平面鏡中的影像直接讀取圓周的半徑使測量變得方便又快捷。

2.收獲

隨著實驗的深入不斷突破創新中遇到的困境研發了該多功能測量儀，在演示過程中不斷思考迸發出靈感的火花逐漸發現應用該實驗儀可以完成新教材以下實驗且適用環境廣泛，并且發現物理實驗室中的光電門不僅在幾厘米范圍內起作用，在距離拉長至20多厘米時仍然能很好地測量時間、速度等物理量，是一種新的嘗試和突破。

能完成的實驗：①驗證向心力表達式。

②利用單擺驗證機械能守恒定律。（激光筆打出高度差h，多功能計時器測量最低點速度，滿足mgh=mv）

③測量重力加速度。（計時器測周期，激光筆測擺線長滿足g=）

④模擬簡諧運動的圖像。（小球換成沙漏，或裝有紅墨水的小球，底座換成可以抽動的木板）

⑤探究影響擺周期的因素。

⑥適用的教學環境：課堂演示，高三復習（與擺有關的實驗），學生操作。此實驗儀因設計新穎巧妙、思想獨特、因陋就簡、就地取材，等多種優點曾獲得省、市級一等獎。

參考文獻：

[1]總主編：張大昌.普通高中課程標準實驗教科書必修2。北京：人民教育出版社出版，2010.

[2]總主編：杜敏.普通高中課程標準實驗教科書必修2教師教學用書.北京：人民教育出版社出版，2010.