摆球在竖直平面内运动规律演示装置||实验研究 / 四六文摘

摆球在竖直平面内运动规律演示装置

滁州中学

摘要： 自制了摆球在竖直平面内运动规律的演示装置.摆球从固定位置释放,通过改变木钉的位置来改变摆球的圆心的位置,进而改变摆球的运动规律,利用触片,结合电脑视频回放,可验证机械能守恒定律,同时还可探究摆球的在竖直平面内的速度大小及运动规律问题.

关键词： 单摆; 向心力; 机械能; 角速度; 线速度;

摆球在竖直平面内运动是一种很常见的运动形式,而其中包含的物理规律对高中生来说是一个难点,本文结合中学物理教学实际设计了摆球在竖直平面内运动规律的演示装置.

1实验原理及仪器简介

设小球摆长为R,运动到最低点速度为v0,当速度v0满足不同条件时,球的运动规律也将不同,现总结如图1所示.

图1 当v0满足不同条件时的运动规律

小球从摆动到先做圆周运动后斜抛最后做完整圆周运动,通常为了实现该运动过程都是从增大摆球速度入手.而本套装置是在不增大摆球在最低点速度的情况下实现了对运动过程的研究. 如图2所示,让摆长为L的摆球每次从与竖直夹角60°位置释放,当摆球在最低点时速度为(gL, 遇到木钉后就会改变圆心的位置,半径R会变小,这样做完整圆周运动最低所需要的速度也就会变小,而每次从同一高度释放摆球,摆球到达竖直平面内最低点速度(gL)不变,所需要的临界速度v0会越来越小,这样就可以实现小球在竖直平面内小球从摆动到先圆周后斜抛最后实现完整圆周运动规律演示的效果.另外,该装置还可以演示机械能守恒、线速度与角速度的关系,结合传感器定性研究圆周运动中向心力与线速度的关系.

图2 实验演示装置原理图

实验装置实物如图3所示,该装置背板采用色条纹设计,便于比较小球所到达的高度,当小球拉到右边与竖直夹角为60°时(即在O点右侧,与O点的水平距离为43.3cm,垂直距离为25cm处),静止释放摆球,经过最低点后向左摆起,而在左边43.3cm处放置自制触片,如果小球摆到该位置,触动触片.该实验过程可以很好地验证机械能守恒定律.当把木钉插入距O点为10cm时,摆球还是从同一位置释放,摆球经过最低点遇到木钉,圆心会发生改变,如果能到达竖直距离为25cm、水平距离为37.1cm的位置,小球达到的高度和第一次高度相同,根据机械能守恒知道,遇到木钉小球速度没有发生变化,然后逐渐改变木钉插入的位置,每次摆球都由同一位置静止释放, 观察小球到达左侧高度.因为依次降低圆心的位置,摆球的运动规律也会发生相应变化,装置可以做到定量分析做完整圆周运动临界速度的大小, 结合电脑视频慢镜头回放,可以还原摆球在最低点未达到临界速度之后做斜抛运动的运动规律, 还可明显观察到角速度和线速度的关系.