可视化创新型圆周运动实验演示仪

摘要

自制一款结构简单、可视性强的演示仪器，它不仅能证明圆周运动中线速度与角速度的关系，还能验证传动装置中各质点线速度、角速度的关系。该仪器结构简单，使用便捷，利用其做实验现象明显，数据的收集和处理自动化，教学效果显著。

Graphical abstract

关键词

线速度 / 角速度 / 可视化 / 圆周运动 / 自制教具

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对实验教学提出了更高的要求，鉴于传统实验教学教具不足的现状，一线教师开发自制教具可以起到有效的补充作用。在圆周运动中，对于皮带或者齿轮传动，两轮边缘质点的线速度相等；对于同轴传动，不同轮子上各质点角速度相等；同时，还有线速度与角速度之间的关系v=\omega \cdot r^［1］。以上3点教师都会从理论角度进行详细的分析和推导，笔者在教学过程中用自行车来举例说明。为了让学生更直观地了解圆周运动的规律，笔者制作了一款可视化的圆周运动实验演示仪，如图1所示。

1 主要制作材料

YM5135—FR频率/转速/线速度表和YM5135CT-H计数计米计时仪（各6只，具体使用见说明书），CHE12-10NA-H710霍尔传感器10只，XD-37GB520，12 V直流变速电机，9~25 V、2 A可调开关直流电源1只（用于电机调速），12 V、4 A直流开关电源1只（用于仪表及霍尔传感器供电），转动齿轮及链条可从报废的赛车上取得，小齿轮12齿、半径2.5 cm，大齿轮24齿、半径5.0 cm，固定在大齿轮上的轮子，半径为20.0 cm，62 000轴承4个，电源线1根。

2 电路连接示意图

演示仪内部电路连接示意图如图2所示。

3 具体安装

取一块长65 cm、宽60 cm的木工板，如图1所示，将小齿轮轴和大齿轮轴分别用两轴承固定在木工板上，霍尔传感器按其技术要求进行安装，其他各个零部件也根据图1安装到位，最后根据图2将电路连接起来即可。

4 器材特点

小齿轮A与大齿轮B为共线关系；大齿轮B与固定在大齿轮上的轮子C为共角关系。

5 实验数据及分析

实验数据如表1、表2所示。

A、B线速度关系：由表1、表2可知，它们的线速度相等和相同时间内走过的路程（计米）相同，即线速度相等。

B、C角速度关系：由表1、表2可知，它们的角速度相等和相同时间内转过的圈数（计圈）相同，即角速度相等。

线速度和角速度的关系：在表1中，线速度v（0.253 3）=角速度\omega（2×3.14×1.614）×半径r（0.025 m），或1.013 5=（2×3.14×0.807）×0.2。在表2中，同样符合这样的关系，即v=\omega \cdot r。

6 结语

自制教具是高中物理实验教学仪器的必要补充，提高了演示实验的针对性，激发了学生的学习兴趣，丰富了学生的科学体验，培养了学生的科学思维和探究能力，促进了学生物理核心素养的发展^［2］。

参考文献

[1] 彭前程.普通高中教科书物理必修第二册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[2] 牛有明.电磁驱动与阻尼演示仪的制作和创新实验探究［J］物理教学，2024（03）：79-80.

基金资助

江苏省中小学教学研究第十五期课题“核心素养视域下的高中物理进阶式问题情境教学的实践研究”(2023JY15-L105)