实验专题研修
研究向心力
组员：郭玉璇 赵兆炯 吴尚立 庄辉杰
一、选题背景
向心力无处不在。在航天科技方面，神六飞船能绕地运行，是向心力的功劳；在生活方面，汽车能否安全转弯，是由向心力决定的；在娱乐方面，杂技演员在表演"水流星"时，水能不流出来，是向心力的魔法……
既然向心力无处不在，到底向心力跟哪些因素有关呢?让我们来探索一下吧
研究过程能提高我们的探究能力，也能培养我们进行科学探究所需的那种坚持不懈的精神，还能学会如何与他人合作。
二、研究方法
1. 实验研究法 通过动手做实验进行定点研究
2. 图象分析法 通过分析图象，判断物理量间的关系
三、研究计划
第一阶段（理论分析阶段）明确研究的目的和意义，为接下来的实验验证阶段确定研究方向。分以下步骤：1.确定研究课题2.设计研究方案，撰写开题报告
第二阶段（实验验证阶段）此阶段为实验验证阶段。通过一系列实验，结合组员间的讨论定下论文初稿，再通过指导老师的指导，进行补充修改。最后形成正式的研究报告、论文。分以下几个步骤进行：1.进行实验研究，取得实验数据。2.整理、分析研究结果。3.撰写论文。4.成果展示。
四、研究过程
1、提出问题
我们知道当物体受到大小不变，方向始终与速度方向垂直的合外力作用时，就做匀速圆周运动。这个大小不变，方向始终与速度方向垂直的合外力就是向心力。那么向心力到底跟哪些因素有关呢？
2、猜想与假设
生活经验：用一根细绳拴住一个小球，用力旋转它使它在水平面上作圆周运动。绳越长，我们就要用越大力才能使它转起来；球越重，我们就要用越大力才能使它转起来；若想要小球转得更快些，我们就必须用更大的力。由以上生活经验，我们猜测向心力与物体的质量、单位时间内转过的圆心角及其作圆周运动的半径有关。
3、设计实验
利用力传感器来测量力的大小，光电门传感器来测量挡光杆的挡光时间，进而求出角速度。运用控制变量法研究F与m,r以及ω之间的关系。首先令m与r不变研究F与ω之间的关系；再令ω与r不变研究F与m之间的关系；最后令m与ω不变研究F与r之间的关系。
4、实验器材
朗威?DISLab数据采集器、光电门传感器、力传感器、郎威?DISLab向心力实验器、物理支架、计算机。
5、实验步骤及数据分析
1.光电门传感器和力传感器固定在郎威?DISLab向心力实验器上，光电门传感器接入数据采集器第一通道，力传感器接入第二通道。
2.点击专用软件主界面上的实验条目"向心力研究"，打开该软件。
3.将挡光杆的直径（挡光宽度）、挡光杆到旋臂轴心的距离、第一次试验时砝码的运动半径（砝码中心到旋臂轴心的距离）和砝码质量输入软件窗口下方的表格。
4.点击"开始记录"，保持旋臂静止不动，对传感器进行软件"调零"。拨动旋臂使之做圆周运动，挡光杆每次通过光电门传感器，记录下砝码的向心力值F并计算出此时的角速度ω。随着旋臂转速逐渐减慢，软件窗口下方的坐标系内将显示自右上方至左上方分布的一组F-ω数据点。
5.点击"停止记录"，对数据点进行分析。分别点击"一次拟合"、"二次拟合"、"三次拟合"，得出三条拟合图线，见图1。
图1
由上图可知，二次拟合图线与数据点的分布非常接近，可推断F与ω2成正比。（点击某个数据点，可显示出该点的坐标值，以便精确分析。）
6.保持砝码的运动半径不变，改变其质量，重复试验，得出几组F-ω数据点，见图2。
图2
由以上数据，我们可以知道当ω与r一定时,m=0.028kg时,F=2.0N；m=0.014kg时，F=1.0N。在实验误差范围内，F与r成正比。
7.保持砝码的质量不变，改变其运动半径，重复试验，得出几组F-ω数据点，见图3。
图3
由以上数据，我们可以知道当ω与m一定时, r=0.06m时,F=1.2 N；r=0.12m时，F=2.4N。在实验误差范围内，F与r成正比。
8.根据试验结果，分析向心力F与角速度ω和质量m以及半径r的关系。
综上所述，我们可以得出结论F与m, r以及ω2成正比，即F=mrω2
教师点评：该实验比较完整的体现了科学探究的过程，从我观察你们完成这个实验的过程来看，你们经历了很长的探索时间，却没有退却，一直耐着性子直到完成任务，这种执著的精神令我钦佩。
教师命题：右图是用向心力实验装置完成的向心力F与角速度ω之间的关系的实验图线。如果实验是控制了质量一定，请你根据图中数据求出两次实验中物体做圆周运动的半径之比。
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