豐富多彩的“單擺實(shí)驗(yàn)”

李世紀(jì)

摘要：物理是高中階段的重要學(xué)科，學(xué)好物理不僅能提高高考成績，還能提高我們的邏輯思考能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。但是物理作為理科知識(shí)，所學(xué)內(nèi)容往往比較抽象，學(xué)習(xí)起來難度較大，需要細(xì)心鉆研，勤奮實(shí)驗(yàn)才能有所收獲，這給同學(xué)們帶來不少困擾。實(shí)際上物理是一門很有趣的學(xué)問，如果能潛心學(xué)習(xí)就能發(fā)現(xiàn)枯燥知識(shí)背后的趣味，感受物理律動(dòng)的美感。

關(guān)鍵詞：單擺實(shí)驗(yàn) 單擺裝置 高中物理

物理是一門兼具理論與實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，高中三年有我們從無數(shù)實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)悟物理知識(shí)的真諦，激發(fā)了我們的動(dòng)手能力和理性思考能力。單擺實(shí)驗(yàn)是高中物理教育中的重要實(shí)驗(yàn)之一，它的基本內(nèi)容為用重量可忽視的細(xì)線吊起一質(zhì)量為m的重錘，使其左右擺動(dòng)，當(dāng)擺角為0度時(shí)，重錘所受合外力大小等于小球本身的重力，通過該實(shí)驗(yàn)我們能了解關(guān)于重力加速度和單擺振動(dòng)周期的相關(guān)知識(shí)，筆者結(jié)合自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為該問題可以從以下幾個(gè)方面分析。

一、單擺裝置的基本概述

單擺裝置是一個(gè)簡易的物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工具包括單擺、米尺、停表（或數(shù)字毫秒計(jì)）、游標(biāo)卡尺，將這些工具組合起來就能進(jìn)行單擺實(shí)驗(yàn)了。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)我們知道單擺裝置會(huì)出現(xiàn)六種實(shí)驗(yàn)表征分別是振動(dòng)、擺動(dòng)、碰撞、轉(zhuǎn)動(dòng)、下垂、下落（如圖一），這六種屬性在高中物理教育中均有重要意義，實(shí)驗(yàn)步驟簡單易操作，深受老師與同學(xué)們的喜愛，本文選取最實(shí)用的三種屬性進(jìn)行分析，闡述單擺裝置在高中物理實(shí)驗(yàn)中的的開發(fā)和應(yīng)用。

二、振動(dòng)屬性的開發(fā)和應(yīng)用

振動(dòng)是單擺實(shí)驗(yàn)最被引用的屬性，因?yàn)橥ㄟ^單擺實(shí)驗(yàn)的論證可以探究物體振動(dòng)的規(guī)律，進(jìn)而利用這些規(guī)律和已知條件計(jì)算物理的重力加速度、單擺裝置的振動(dòng)周期以及振動(dòng)頻率等。

（一）重力加速度與身高實(shí)驗(yàn)

重力加速度與身高實(shí)驗(yàn)可以利用單擺周期公式測量計(jì)算，首先安裝單擺裝置，然后利用計(jì)時(shí)器記錄單擺周期，設(shè)單擺長度為x，這時(shí)錘的線的加速度受單擺長度變化而變化，所以單擺角加速度就能求得，也就是說振動(dòng)的角加速度和角位移成比例，式中的負(fù)號(hào)表示角加速度和角位移的方向總是相反。此時(shí)單擺的振動(dòng)是簡諧振動(dòng)。從理論分析得知，其振動(dòng)周期和上述比例系數(shù)的關(guān)系是一定的。然后利用公式就可計(jì)算出該單擺的重力加速度。身高實(shí)驗(yàn)就更容易了，將同學(xué)的身高定為擺長，然后重復(fù)上述經(jīng)過就能計(jì)算出同學(xué)的重力加速度。

（二）單擺振動(dòng)周期的影響因素

單擺振動(dòng)周期與擺長有關(guān)，可以做分組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，比如將擺長分別定為10m、6m、3m，感受不同跨度單擺振動(dòng)周期的差異。當(dāng)擺長達(dá)10m時(shí)，我們將它放置在教學(xué)樓最高層，從窗邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它單擺的周期大約在6、7s左右，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擺長大小與振動(dòng)周期是分不開的，同時(shí)大鐵球質(zhì)量影響振幅如果利用磁鐵就能改變回力大小，這對(duì)我們學(xué)習(xí)單擺振動(dòng)周期有很大幫助。

三、擺動(dòng)屬性的開發(fā)和應(yīng)用

振動(dòng)實(shí)驗(yàn)與擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)往往容易讓人混淆，通過咨詢老師筆者發(fā)現(xiàn)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于單擺的反復(fù)多次擺動(dòng)的規(guī)律，而這里提到的擺動(dòng)屬性更側(cè)重于‘某次擺動(dòng)的狀況，也就是說探究什么情況下單擺裝置會(huì)發(fā)生擺動(dòng)現(xiàn)象，如果擺動(dòng)它將向前還是向后，擺動(dòng)過程中勢能與動(dòng)能的變化大小如何。根據(jù)該問題我們可以探究物體的能量守恒問題和慣性問題。

（一）慣性實(shí)驗(yàn)

印證慣性實(shí)驗(yàn)，就要把簡單的單擺裝置轉(zhuǎn)化成單擺小車，當(dāng)小車從靜止?fàn)顟B(tài)向加速過渡時(shí)，車上的單擺必然后向后擺動(dòng)。而當(dāng)小車在勻速運(yùn)動(dòng)中突然被截停，車上的單擺會(huì)向前擺動(dòng)，這就說明了慣性現(xiàn)象。

（二）能量守恒

首先將單擺小車放在光滑的玻璃平面上，然后讓擺球移動(dòng)，這時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)單擺小車也隨著擺球的移動(dòng)向相反的方向變化，這是能量守恒中的動(dòng)量守恒現(xiàn)象。如果使用普通單擺裝置，將單擺從一側(cè)的最高點(diǎn)a擺到另一側(cè)的最高點(diǎn)b，拿著兩側(cè)的最高點(diǎn)應(yīng)該是等高的，這證明了物體的機(jī)械能量守恒。值得一提的是，老師在課堂上讓我們把單擺的鐵球從鼻尖的位置釋放，當(dāng)鐵球擺動(dòng)回來并不會(huì)再次碰觸鼻尖，也說明了這個(gè)結(jié)論。

四、下落屬性的開發(fā)和應(yīng)用

將單擺裝置靜置不動(dòng)時(shí)，單擺會(huì)自然下垂，我們剪短連接鐵塊的細(xì)線，擺球會(huì)出現(xiàn)自然下落現(xiàn)象，這一屬性可以幫助我們掌握物體的重力加速度、印證小球慣性、演示動(dòng)能和勢能的相互轉(zhuǎn)化等。

五、結(jié)語

總之，單擺裝置帶來的實(shí)驗(yàn)和理論是豐富多彩的，通過單擺實(shí)驗(yàn)我們會(huì)驚喜的發(fā)現(xiàn)一個(gè)如此簡易的裝置就能涉及這么多物理知識(shí)，在不斷振動(dòng)、碰撞、下落的過程中我們體驗(yàn)了物理的樂趣，感受了物理知識(shí)的博大精深，作為一名高中生要不斷發(fā)現(xiàn)身邊的物理現(xiàn)象，讓實(shí)驗(yàn)變得更有趣、充分發(fā)揮物理的魅力。