对“用圆锥摆验证向心力的表达式”实验的改进

成振兴，王晓璐，康世举

摘   要：针对“用圆锥摆验证向心力的表达式”实验中难以使摆球获得适当的初速度以及空气阻力与人工计时带来的误差等问题，重新设计了实验装置与方案。在斜面上由静止释放一钢球与静止在斜面底部的摆球碰撞，使摆球做规定半径下的1/2圆周运动后撞击另一物体，结合phyphox软件的声学秒表记录两次碰撞发生的时间间隔，实验结果相对误差可控制在0.4%以内。

关键词：圆锥摆;向心力;碰撞;实验改进;phyphox

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）11-0048-5

“用圆锥摆验证向心力的表达式”实验在高中物理教学中具有重要意义，不仅可以培养学生的科学探究能力，还能培养与训练学生的发散性思维[1]。但原实验方案中存在较难操作、实验结果误差较大等问题。各版本教材中对向心力表达式得出过程的阐述大致有两种：一是通过向心加速度表达式结合牛顿第二定律得出;二是通过“向心力演示器”探究出向心力与各物理量的比例关系后直接给出向心力的表达式。以上仍然需要一个证明向心力表达式成立的验证性实验。因此，对“用圆锥摆验证向心力的表达式”实验进行改进具有重要意义。

原实验的难点在于如何使摆球获得规定半径下做匀速圆周运动的初速度，以及空气阻力与人工计时带来的误差问题。有关验证向心力表达式的改进实验受到很多学者的关注。其中，利用电动机带动摆球运动对原实验进行改进的较多[2-4]，还开发了可以实现对向心力精确测量的仪器[5-6]。……