本站原创一、前言
人教版高中《物理》必修二的第五章第七节“向心力”中,安排了“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”的实验（见教材第20页,图5.7-1）. 该实验在操作过程中会遇到下列三个问题：（1）实验中很难保证小球做稳定的圆周运动.（2）由于受到空气阻力作用,小球转动半径减小很快,摆角很难测量.（3）小球转动周期测量也是本实验的难点.所以课本上的实验只能定性地演示一下,如能把它开发成可以定量研究的学生实验,就可加深学生对向心力概念和来源的感性认识和领悟.
二、实验的再开发
针对以上问题,受到公园里“飞椅”的启发,如图1,笔者对书中的实验进行了再开发.
1. 实验器材
6VDC（2400）CCW的直流电动机、细竹棒（烧烤用）、细线、小物体（1g砝码）、铁架台（带铁夹）、1m长刻度尺、细棉线、牙签（或细铁丝）、滑动变阻器、导线、胶水.
2. 实验步骤
（1）用胶水把细竹棒中心固定在电动机的转轴上,如图2所示.
（2）按图3把直流电动机固定在铁架台上的合适高度,为降低电动机的转速,用导线把电动机接入如图4的分压电路中.
（3）把一端系有小物体（砝码）的细棉线系牢在细竹棒的一端,合上开关,电动机带动物体做匀速圆周运动,调节滑动变阻器,使转速在人眼可分辨范围为宜,测出系线处到转轴距离.
（4）物体转动半径的测量,可采用双侧无限逼近法,如图5. 当物体稳定转动后,调节水平刻度尺的高度,使它尽量靠近转动平面,注意不要碰到转动物体,拿一根牙签（或细铁丝）紧贴在尺面,反复调整牙签位置,直到转动物体经过尺面时,牙签正指向物体正下方,读出此时刻度尺的读数,同样的方法找出另一侧物体经过尺面的位置读数,两次读数之差就是物体做匀速圆周运动的半径r.
（5）物体转动周期的测量.由于采用了上述的分压电路控制电动机两端的电压,可以比较方便地调节物体转动的转速,为了使周期尽量测得准确,尽可能使物体转动得慢一点,可用常规的秒表测量,考虑到人计数时的反应时间,尽可能测出20圈以上的转动时间,求平均值得到物体转动周期.
三、实验原理数据处理与结论
1. 实验原理
此实验中物体做匀速圆周运动向心力实际为物体所受合力提供,如图6,有： F合等于mgtanθ,物体做匀速圆周运动向心力理论值： F向等于m 等于mω2r等于
m（ ）2r. F合等于F向?圯tanθ等于 g ∝ .
可以通过多次改变加在直流电动机两端的电压,调节电动机的转速,得到多组物体做圆周运动的周期、半径、摆角数值,作出tanθ∽ 图线.
本实验设计不需要测量物体做圆周运动的高度,只需要测出细线摆的长度l 和做圆周运动的半径r,系线处到转轴的距离x,从而间接地求出摆角θ .如图3,有：sinθ等于 ,θ等于arcsin（ ）.
2. 实验数据处理与结论
（1）实验数据记录 .
（2）用Excel对数据进行处理,画出tanθ∽ 图线.
（3）结论：从图线可以看出：tanθ∝ ,证明向心力的理论值与实际值吻合,从而就验证了向心力的表达式： F向等于m 等于mω2r.
四、后记
（1）这本是书本上的一个小实验,我们在教学时多数情况都是一带而过,甚至不去注意它. 但检测如好好加以研究开发,就可设计出一个操作性强的学生分组定量研究实验,可以让学生更直观地去理解所学知识.
（2）本实验的模型其实就是很多学生在公园玩过的“飞椅”,把生活中出现的一些鲜活的事例引入课堂,用科学的方法去研究它,培养学生热爱生活、崇尚科学探究的态度.
（3）本实验在改变电动机转速时用到了分压电路,这种电路对高一学生而言还比较陌生,可以引起学生对滑动变阻器新用法的好奇,为以后的学习打下了伏笔,并且充分体现出学以致用,让学生体会运用知识解决实际问题的乐趣.
（4）本实验全部使用的是实验室现有器材,并不像我们传统的实验观念――每个学生实验都设计好了专用器材,这种理念是我们在推进新课改中所需要提倡的. 为了达到我们的教学目的,把原有实验器材进行再组装开发出其他新的功能.而DIS的引入更是可以辅助我们去测一些传统器材无法测量的物理量,比如在这个实验中测周期可以转化为测转速,只要引入光电门传感器,在细竹竿的一端连上轻质挡光板,就可以测出不同电压下电动机的转速.