多功能傅科擺演示器

王葉青

項目摘要

該演示器適合在小學(xué)科學(xué)課及中學(xué)物理課上講述有關(guān)地球自轉(zhuǎn)的知識時作為輔助教具。它利用廉價易得的材料制作，可以直觀地呈現(xiàn)傅科擺的原理從而證明地球的自轉(zhuǎn)。該裝置具有證明過程科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、體積小、操作方便、演示時間短、演示效果顯著、制作成本低廉等優(yōu)點，該裝置還能應(yīng)用于科學(xué)課及物理課學(xué)習(xí)中涉及的所有關(guān)于擺的實驗，能有效地降低學(xué)習(xí)者的理解難度。

項目背景及基本思路

項目背景

1851年，法國著名物理學(xué)家傅科為了驗證地球自轉(zhuǎn)進行了一系列壯觀的實驗，那次實驗所用的裝置被人們稱之為傅科擺，這也是人類第一個用實驗驗證地球自轉(zhuǎn)的裝置。

該實驗在教科版小學(xué)《科學(xué)》5年級下冊第4單元第3課“證明地球自轉(zhuǎn)”中介紹。這一課中教材安排了2個活動：探究擺的特點和傅科擺的原理。第1個活動存在4點不足。

整個裝置沒有以擺繩頂點為中心旋轉(zhuǎn)，容易形成圓錐擺；

擺在擺動過程中會撞到鐵架臺，導(dǎo)致實驗失??；

整個裝置不平穩(wěn)，鐵架臺容易傾倒，不易操作；

證明過程不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

教材的第2個活動僅用圖片、文字及配套教材視頻讓學(xué)生理解傅科擺的原理，為什么不以實驗的形式呈現(xiàn)呢？因為真正的傅科擺擺錘重量高達(dá)28千克，擺繩長達(dá)67米，這樣20多層樓高的傅科擺只有在天文館等一些專業(yè)科普場館可見，這就導(dǎo)致學(xué)生不能在課堂上親眼見證、親手探究，理解起來相當(dāng)困難，遠(yuǎn)離中心城市的學(xué)生更是連參觀一次的機會都非常稀少。為了克服在教學(xué)中遇到的一系列困惑，我制作了傅科擺模型模擬該實驗。

基本思路

首先突破教材中活動1的缺陷，嚴(yán)格按照傅科擺的運行原理制作出演示器證明地球自轉(zhuǎn)；然后畫出設(shè)計圖紙，并尋找生活中常用或廢棄材料用于組裝裝置，包括置物架、吊線錘、輪子、卷尺等。在反復(fù)實驗過程中不斷改進設(shè)計，將輪子改成餐桌轉(zhuǎn)盤使其可以平穩(wěn)地圍繞圓心轉(zhuǎn)動，加入量角器、牙簽等形成多功能演示器，將置物架改造成木質(zhì)框架，加入霧化器和激光筆以顯示擺的特點。最后，加入攝像功能直觀展示刻度盤上示數(shù)的變化。完成后的傅科擺演示器如圖所示。

項目應(yīng)用的科學(xué)方法和科學(xué)原理

首先利用光沿直線傳播的特點證明擺具有保持?jǐn)[動方向不變的特點，餐桌轉(zhuǎn)盤可以讓整個裝置平穩(wěn)地圍繞擺錘錘心進行圓周旋轉(zhuǎn)，完美地模擬地球自轉(zhuǎn)。擺的擺動方向不變，但擺錘指示的刻度盤示數(shù)在不斷變化，從而證明刻度盤在隨著地球自轉(zhuǎn)。

演示器使用方法

首先讓擺沿著激光的照射方向擺動起來，緩慢而平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動整個裝置，可以觀察到擺錘擺動的方向始終沿著光的照射方向，由此證明擺具有保持?jǐn)[動方向不變的特點。

在裝置底盤放上刻度盤，讓擺再次擺動起來，接通電源讓整個裝置平穩(wěn)勻速逆時針旋轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)隨著時間的流逝，擺指示的刻度不斷地發(fā)生變化。擺可以保持?jǐn)[動方向不變，但指示的刻度在發(fā)生變化，并通過攝像將整個過程展現(xiàn)出來，說明整個裝置在隨著這個“地球”即圓盤底座一起轉(zhuǎn)動，由此證明地球在自轉(zhuǎn)。

通過更換擺錘、用木塞及卷尺控制擺繩長度、用自制量角器改變擺角大小等手段探究擺擺動快慢的影響因素。

項目創(chuàng)新點

利用光沿直線傳播的特性證明單擺具有保持?jǐn)[動方向不變的特點，更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，也更加直觀。

裝置底座設(shè)置自動餐桌轉(zhuǎn)盤，可使整個裝置自動圍繞擺繩作圓周轉(zhuǎn)動，從而有效模擬傅科擺原理，裝置的開關(guān)插頭等設(shè)計在底座外面，操作起來更加方便。

把卷尺、自制量角器、吊線錘等與單擺結(jié)合，可以演示多種單擺探究實驗。

整個裝置采用自制木架結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，牢固美觀。

由于安裝了攝像頭，演示器可以直觀地展示擺錘指示的刻度盤示數(shù)的變化，真實地模擬1851年傅科做實驗的場景。

該裝置還具有證明方法科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、體積小、操作方便、演示時間短、演示效果顯著等優(yōu)點。

項目使用情況和進一步完善設(shè)想

使用情況

該演示器已在宿遷市實驗小學(xué)5年級科學(xué)課教學(xué)中投入使用2學(xué)年，成功地突破了長期以來的教學(xué)難點，學(xué)生對傅科擺原理的接受程度大大提高，教學(xué)效果明顯。

進一步完善設(shè)想

繼續(xù)對整個裝置的木架結(jié)構(gòu)進行改裝，將其變?yōu)榻M合式，以便可拆可卸，攜帶方便。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

該項目制作了多功能傅科擺演示器，直觀證明地球自轉(zhuǎn)。該項目原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。項目資料齊全，研究報告書寫規(guī)范。希望該項目在教具材質(zhì)方面作出改進和提升。