傅科擺演示實驗裝置的制作及其在大學物理教學中的作用

崔松國

(延邊大學護理學院 吉林 延邊 133000)

傅科擺演示實驗裝置的制作及其在大學物理教學中的作用

崔松國

(延邊大學護理學院 吉林 延邊 133000)

介紹一種傅科擺演示實驗裝置的制作過程及對傳統(tǒng)傅科擺實驗的改進，該研究改善了傳統(tǒng)傅科擺儀器體積龐大、實驗時間過長、在課堂中很難一次完成有效的實驗的缺點，同時，考慮到在傅科擺的擺錘與地面之間觀察實驗效果并不是很直觀，給演示實驗教學工作帶來了很大的困難，因此，專門制作與研究了此演示儀器.提高了實驗結(jié)果的精確度，更好地為學生進行課堂教學演示，是教師演示和學生學習傅科擺的有力助手.

傅科擺 演示實驗 制作研究 物理教學

1 引言

傅科擺實驗是大學物理演示實驗課中一個不可或缺的實驗，傅科擺利用物體的慣性為學生直觀呈現(xiàn)地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象.然而，傳統(tǒng)的傅科擺實驗儀器的體積非常龐大，實驗時間過長，而市面上一些模擬傅科擺的儀器雖然具備了體積小的優(yōu)點，但由于在傅科擺的擺錘與地面之間觀察實驗效果并不是很直觀，為此，我們將半導(dǎo)體激光器技術(shù)與傅科擺實驗相結(jié)合，研究并設(shè)計了一種可以發(fā)射出激光的擺錘，這樣在擺錘擺動過程中十字激光射在圓盤上，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)擺動平面沿順時針方向緩緩轉(zhuǎn)動，擺動方向不斷變化.本儀器整體設(shè)計嚴謹，符合理論分析，且較傳統(tǒng)的傅科擺儀器現(xiàn)象更為直觀明顯，測得的實驗數(shù)據(jù)更加準確，可以有效地減小由于肉眼觀察帶來的實驗誤差，有利于演示實驗課教師更高效率地傳授教學內(nèi)容，對提高課堂學習效率起到十分重要的作用.

2 工作原理

2.1 傅科擺的工作原理——慣性

傅科所做的擺是一個用來演示地球一直在自轉(zhuǎn)的實驗裝置.這種擺也因此被命名為“傅科擺”.我們都知道，地球是在自轉(zhuǎn)——相對于遙遠的恒星在自轉(zhuǎn).同樣的來說，由于慣性的存在，傅科擺的擺錘相對于我們所選取的參照物的運動方向是不變的，當?shù)厍蛞约坝脕淼跗饠[錘的架子發(fā)生轉(zhuǎn)動時，傅科擺的擺錘仍在原有的平面內(nèi)運動.那么會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？若站在傅科擺附近的地球表面上，顯然會發(fā)現(xiàn)擺錘擺動的平面在一點點地轉(zhuǎn)動，它所轉(zhuǎn)動的速度應(yīng)該大約是鐘表時針轉(zhuǎn)動的角速度的一半，也就是說，每個小時傅科擺的擺錘運動的平面都順時針轉(zhuǎn)動15°[1].

圖1 北半球傅科擺擺動平面的旋轉(zhuǎn)軌跡

2.2 設(shè)計思路

我們所設(shè)計的傅科擺主要是將半導(dǎo)體激光器和傳統(tǒng)的傅科擺儀器相結(jié)合，取長補短，利用3節(jié)9V電池帶動十字半導(dǎo)體激光器，那么由激光器發(fā)射出來的十字激光打在實驗圓盤上，使得觀察人員可以清晰地觀察到傅科擺的擺錘擺動的原有平面以及在擺動過程中平面所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，解決了傳統(tǒng)傅科擺實驗現(xiàn)象不易觀察的問題.

3 裝置的制作過程

3.1 元件及材料的選擇

傅科擺儀器主要是由懸掛支架、輕質(zhì)細繩、網(wǎng)狀口袋、彈力球、黏土制作的球、十字半導(dǎo)體激光器、電路板、3節(jié)9V電池構(gòu)成，具體的裝置圖如2所示.圖3為傅科擺三維立體圖.

3.2 儀器的制作

3.2.1 電源外殼的制作

選取生活中廢棄的牙線棒外盒，利用黏土在外殼內(nèi)部制作一個電池槽.將3節(jié)9V電池串聯(lián)相接，用來提供激光器發(fā)光的電源.如圖4所示.

圖2 實驗裝置圖

圖3 傅科擺三維立體圖

圖4 外殼及電池槽的制作及電池的連接圖

3.2.2 電路板的制作

本儀器電路如圖5所示.

圖5 儀器電路圖

電路板制作時按照先后順序為：首先需要預(yù)處理覆銅板，選用黑色油性筆在已選取的覆銅板上按照設(shè)計好的電路圖描繪出PCB板電路圖，腐蝕PCB板所用的腐蝕液選用濃鹽酸、濃雙氧水、蒸餾水并按照1∶2∶4的比例配置，然后腐蝕已經(jīng)制作好的PCB板；待PCB板上的銅完全被腐蝕掉以后，再用酒精把覆蓋在線路板上的油墨清洗干凈，將洗干凈后的PCB板風干，涂上松香，將PCB板鉆孔和焊接電子元件[2]，PCB板的實物圖如圖6所示.

圖6 PCB板的實物圖

3.2.3 整體安裝

制作傅科擺儀器底部圓盤.選取木質(zhì)圓桌一個，畫出一個標有刻度的360度圓盤，然后將打印出來的彩色圓盤紙與制作好的圓桌粘貼在一起，實物圖如圖7所示.實驗室選取屋頂作為支架的安裝點，然后將輕質(zhì)繩子系在支架的一端，繩子的另一端系在擺錘上，擺錘和繩子的連接選用輕質(zhì)網(wǎng)袋，這樣做的目的是為了在更換電池時方便拆卸，支架實物圖如圖8所示.

圖7 圓盤的實物圖

圖8 支架實物圖

4 實驗數(shù)據(jù)記錄及分析

4.1 第一組對比實驗數(shù)據(jù)及分析

4.1.1 實驗數(shù)據(jù)

(1)擺錘使用質(zhì)量為0.350kg的彈力球，擺長長度為365.3cm,稱為傅科擺1，實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 傅科擺1實驗數(shù)據(jù)

(2)擺錘使用質(zhì)量為0.190kg的黏土球，擺長長度為365.3cm,稱為傅科擺2，實驗數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 傅科擺2實驗數(shù)據(jù)

(3)擺錘使用質(zhì)量為4kg的鉛球，擺長長度為365.3cm,稱為傅科擺3，實驗數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 傅科擺3實驗數(shù)據(jù)

4.1.2 數(shù)據(jù)分析

同一高度、不同質(zhì)量的擺錘之間的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量越大的擺錘擺動的時間越長，從表1和表3可以明顯觀察到質(zhì)量大的擺錘擺動時間較長，所得到實驗現(xiàn)象更加明顯、直觀，而改進后的傅科擺的實驗數(shù)據(jù)誤差較其他兩組實驗小得多，利用了激光打在圓盤上這種方法可以更精確地完成實驗數(shù)據(jù)的記錄.

現(xiàn)在，我們將利用改進后的傅科擺進行不同高度的兩組實驗對比.

4.2 第二組對比實驗數(shù)據(jù)及分析

4.2.1 實驗數(shù)據(jù)

(1)擺錘使用0.190kg黏土球，擺長長度為365.3cm,即傅科擺2，實驗數(shù)據(jù)如表2所示.

(2)擺錘使用0.190kg黏土球，擺長長度為356.3cm,稱為傅科擺4，實驗數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 傅科擺4實驗數(shù)據(jù)

4.2.2 數(shù)據(jù)分析

同一質(zhì)量的擺錘，不同高度進行測量時，可以發(fā)現(xiàn)，繩子的長度越長，也就是高度越低，擺錘的擺動時間越久，得到的實驗現(xiàn)象越明顯，同時也可以發(fā)現(xiàn)改進后的傅科擺擺錘的準確度在不同高度下仍然是比較精確的，但是在高度越低的條件下，實驗數(shù)據(jù)誤差越小.

5 在大學物理教學中的作用

(1)可以使學生獲得豐富的感性認識，加深學生對物理概念、原理和定律的理解，激發(fā)學生學習物理的興趣.在操作實驗過程中，特別是一些探索性的實驗，學生對于觀察到的現(xiàn)象，即實驗所揭示的物理事實感到驚奇，從而激發(fā)學生的好奇心與求知心理，促使他們?nèi)で蟠鸢?，增強學習物理的興趣[3].

(2)可以培養(yǎng)學生觀察和實驗的能力，發(fā)展學生的智力.演示實驗不僅能讓學生理解知識,還能讓學生提高興趣,啟發(fā)他們的創(chuàng)新思維.讓學生們在體會、理解演示實驗過程中產(chǎn)生親自動手去做的熱情,引導(dǎo)學生的創(chuàng)新實踐活動.演示實驗室可以提供一個創(chuàng)作靈感得以發(fā)揮的平臺,以“活躍校園科技學術(shù)氣氛,增強學生科技創(chuàng)新意識,提高學生科技實踐能力,培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才”為指導(dǎo)思想,開展具有知識性、學術(shù)性、實踐性的課外科技學術(shù)活動,充分調(diào)動學生參與的積極性,讓他們有機會去探索、去實踐.演示實驗室還可以為學生提供技術(shù)指導(dǎo)，提供非常規(guī)儀器，提供特殊加工等.給學生提供了創(chuàng)新實踐活動的條件,提高了學生的創(chuàng)新實踐能力[4].

(3)可以使學生初步了解物理學的研究方法，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度和遵守紀律、愛護儀器的優(yōu)良品質(zhì)[4].物理實驗是科學實驗，科學實驗就應(yīng)當具備科學的態(tài)度和科學的研究方法.實驗過程中要求學生實事求是，尊重客觀規(guī)律，忠于實驗數(shù)據(jù)，不能有絲毫的弄虛作假行為.同時要意識到實驗并不是一帆風順的，要求學生善始善終，具有不怕挫折、堅韌不拔的追求科學的精神，從而達到陶冶情操、鍛煉性格、培養(yǎng)學生良好的科學作風和科學精神的目的.[4]

(4)有利于教師更好地開展實驗教學工作.引導(dǎo)學生更好地體會地球自轉(zhuǎn)的物理現(xiàn)象，減少了傳統(tǒng)的實驗儀器操作時間，利用激光顯示直觀地將偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象呈現(xiàn)在圓盤上，同時在傅科擺實驗的同時教師可以為學生們進一步講解激光器的工作原理及基本構(gòu)造，做到一個實驗學習多個物理知識[5].

總之，新型傅科擺演示實驗裝置充分利用了生活中的廢舊物品，在授以學生知識的同時也將勤儉節(jié)約、廢物利用的情感態(tài)度和價值觀傳授給學生，讓學生在步入大學生活后仍要將中華民族的傳統(tǒng)美德發(fā)揚下去，做一名優(yōu)秀的大學生，合格的物理人才.

1LigangAndynamicssimulationandanalysisusingMATLABFoucaltpendulumIsthe2004campaignmechanicsandpracticeArticle26

2 孫巖，顧廣瑞，何宇紅.自制平行光半導(dǎo)體激光器.電子制作,2014(09)：17

3 姜成果. 物理教學中演示實驗的作用. 大學物理實驗,2006(03):111～114

4 何宇紅,王智慧. 物理演示實驗中培養(yǎng)大學生科技創(chuàng)新能力. 物理教師,2009(02):64～65

5 陳剛.傅科擺軌道的計算與討論.大學物理,1993(06)：6～8

崔松國(1962- )，男，副教授，主要從事大學物理教學.

2016-10-21)