模擬經(jīng)典實驗 培育學(xué)生核心素養(yǎng)——自制“微型傅科擺” 驗證地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

韓興乾 喻梅琴

(1. 寧夏六盤山高級中學(xué)，寧夏 銀川 750002； 2. 銀川市第六中學(xué)，寧夏 銀川 750002)

1 引言

許多經(jīng)典物理實驗?zāi)軌蚶煤唵蔚膶嶒炑b置,揭示現(xiàn)象中蘊含的物理本質(zhì),并驗證抽象的物理規(guī)律,測量且確定重要的物理參數(shù)．大多數(shù)經(jīng)典物理實驗所具有的巧妙的實驗構(gòu)思,簡潔的實驗裝置,明顯直觀的實驗現(xiàn)象無不顯示物理學(xué)家所具有的的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和精湛的科學(xué)實驗探究能力．因此通過學(xué)習(xí)經(jīng)典實驗的實驗設(shè)計原理,經(jīng)歷實驗操作過程,重現(xiàn)實驗現(xiàn)象,得出實驗結(jié)論等環(huán)節(jié),在培育學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)方面會起到重要的作用．

許多經(jīng)典的物理實驗,雖然結(jié)構(gòu)簡單,現(xiàn)象明顯,但由于受客觀條件限制,常規(guī)教學(xué)活動中不容易模仿,如盧瑟福的α粒子散射實驗、卡文迪許的扭秤實驗等．而“用傅科擺驗證地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象”的實驗卻可以通過對常規(guī)實驗儀器的改進(jìn),重現(xiàn)原有的實驗現(xiàn)象,驗證相關(guān)的實驗結(jié)論．筆者與學(xué)生一起反復(fù)分析研究,試驗比較,終于制作出了常規(guī)條件下的“傅科擺”,得到了較為明顯的實驗現(xiàn)象,真實地驗證了地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象．通過引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“微型傅科擺”實驗裝置制作過程,親眼目睹運用自制“微型傅科擺”實驗裝置驗證地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,不但極大的激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,更重要的是進(jìn)一步培養(yǎng)并提升了學(xué)生在物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)價值和社會責(zé)任等方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

2 制作“微型傅科擺”,探究地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

2.1 提出問題,分析實驗原理

筆者在進(jìn)行人教版教材選修3-4第11章第4節(jié)“單擺”的教學(xué)活動中,發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生對課本中一幅關(guān)于法國物理學(xué)家萊昂·傅科利用單擺驗證地球自轉(zhuǎn)實驗的插圖(如圖1)產(chǎn)生了濃厚的興趣．同學(xué)們關(guān)注的焦點問題主要有兩個：一是用單擺證明地球自轉(zhuǎn)的實驗原理是什么;二是是否能用實驗室的單擺重復(fù)傅科擺的實驗．學(xué)生的滿腔熱情和充滿求知欲的眼神,促使筆者對傅科擺的相關(guān)問題進(jìn)行了全面深入的研究．通過查閱資料,整理思維,選擇了較為簡便的科學(xué)理論方法,借助現(xiàn)有的器材,耐心地給學(xué)生講解了利用單擺驗證地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的實驗原理．

圖1

為了讓學(xué)生理解“傅科擺”實驗原理,筆者首先利用學(xué)生實驗用的單擺,演示并講解了單擺的擺球由于慣性會保持原有的擺動方向不變．如圖2為學(xué)生實驗用單擺,剛開始讓擺線在一個確定的豎直平面內(nèi)擺動(即擺線擺動平面與豎直參考面平行),在擺球擺動過程中 保持懸點位置不動而轉(zhuǎn)動鐵架臺,通過學(xué)生的觀察比較,發(fā)現(xiàn)單擺的擺動平面并沒有隨之變化,還保持著擺線的擺動平面與原來豎直參考面平行,如圖3所示．接下來再利用地球儀揭示了由于地球的自轉(zhuǎn),引起單擺擺線擺動平面相對地面的轉(zhuǎn)動．如圖4所示,用紅線表示地球表面上的一條經(jīng)線,小旗的豎直旗面表示單擺的擺線擺動平面．如果單擺擺線擺動平面方向保持不變,則地球自轉(zhuǎn)一段時間后,單擺擺線擺動平面相對地面會發(fā)生一定的轉(zhuǎn)動,如圖5所示．若以單擺擺線的擺動平面為參考面,顯然是地面發(fā)生了轉(zhuǎn)動．通過講解分析,演示觀察,使學(xué)生理解了利用單擺驗證地球自轉(zhuǎn)的實驗原理及使用的實驗方法．

圖2 圖3

圖4 圖5

2.2 初步常規(guī)模擬,確定實驗方案

2.2.1 初步探究,發(fā)現(xiàn)問題

在了解了運用傅科擺研究地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的實驗原理后,有學(xué)生提出:能否運用常見的單擺進(jìn)行傅科擺的實驗現(xiàn)象的模擬,真實有效的驗證地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象呢?面對學(xué)生不舍的研究精神,筆者決定帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實驗研究,實現(xiàn)經(jīng)典實驗再現(xiàn),親自驗證地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象．于是組織部分學(xué)生成立了驗證地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的實驗研究小組,引導(dǎo)他們自己動手設(shè)計實驗方案,安裝調(diào)試實驗裝置,各自進(jìn)行試驗驗證．幾天后,各研究小組都遇到了各種各樣的困難,沒有得到明顯的實驗現(xiàn)象．通過匯總整理,逐步明確學(xué)生的探究實驗主要存在以下幾個方面的問題: (1) 實際單擺擺幅衰減很快,持續(xù)擺動時間較短; (2) 擺球運動不規(guī)范,很容易出現(xiàn)擾動; (3) 實驗現(xiàn)象不明顯,幾乎觀察不到擺球擺動平面相對地面的轉(zhuǎn)動情況等等．

2.2.2 分析比較,改進(jìn)方案

針對前期實驗研究過程中發(fā)現(xiàn)的問題,筆者引導(dǎo)學(xué)生查閱有關(guān)傅科擺的文獻(xiàn)資料,將學(xué)生實驗用的單擺和傅科擺進(jìn)行全面的對比,找出它們的不同之處,進(jìn)一步分析這些差別對實驗效果的影響．

很快學(xué)生就找到了自己實驗中的單擺和傅科擺在結(jié)構(gòu)上的幾個明顯差別: (1) 擺長不一樣,學(xué)生實驗用的單擺擺長1 m左右,傅科擺的擺長可達(dá)到10 m; (2) 擺球質(zhì)量差別很大,學(xué)生實驗用的擺球質(zhì)量為 0.03 kg左右,而傅科擺的擺球質(zhì)量可達(dá)幾十kg; (3) 懸點的固定方式不同,學(xué)生實驗是將擺線直接系在鐵架臺的橫梁上,而傅科擺的懸點有特定的固定方式,不會使得擺線在擺動中受到懸點的扭轉(zhuǎn)力而改變擺動平面; (4) 實驗啟動方式不同,學(xué)生實驗通常是用手將單擺拉開一定的擺角,由靜止釋放,而傅科擺是用細(xì)線系住擺線末端拉開一定擺角并固定細(xì)線,待擺球靜止后燒斷細(xì)繩,釋放擺球．

通過進(jìn)一步比較分析,最終搞清楚了傅科擺的“與眾不同”并不是嘩眾取寵、吸人眼球的故意造作,而是為了取得清晰的實驗觀察現(xiàn)象的必然要求．比如擺長的增長可以增加擺球的擺動周期,從而使得觀察者有較為充足的時間觀察擺動平面的轉(zhuǎn)動情況;大質(zhì)量的擺球慣性大,不容易受外界干擾,同時會增加擺球的最大機械能,減小阻力帶來能量損失的影響,延長擺球的擺動時間;巧妙的實驗啟動方式可以避免釋放時手對擺球運動的影響,從而保證擺球在同一個豎直平面擺動．

通過以上的比較分析,學(xué)生弄清楚自己實驗不成功的原因．于是決定通過對常規(guī)實驗裝置進(jìn)行改進(jìn),利用現(xiàn)有空間場地,最大限度的增加擺長和擺球質(zhì)量,改進(jìn)懸點的固定方式,模擬傅科擺實驗,再次進(jìn)行真實有效地驗證地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象．

2.3 改進(jìn)實驗裝置,再現(xiàn)經(jīng)典實驗

2.3.1 制作裝置,安裝調(diào)試

通過對現(xiàn)有的器材整理和取舍,我們選擇在教室的天花板上安裝固定裝置,制作成一個擺長約為2.6 m的“微型傅科擺”．用常用的鉛錘線圓錐形狀金屬吊錘代替擺球(如圖6),加以適當(dāng)?shù)呐渲卦黾討T性和擺動的平衡性,擺錘的總質(zhì)量可達(dá)到2 kg左右．?dāng)[線選用結(jié)實耐用,質(zhì)量較小的細(xì)繩．?dāng)[線懸點盡量采用對擺繩的擺動平面影響較小的固定方式(如圖7)．采用傅科先生“燒細(xì)繩”的方式(如圖8)啟動實驗．為了更加直觀明顯地顯示擺球擺動平面相對地面的轉(zhuǎn)動,采用“圖線對比法”,將一張白紙固定在靜止的擺球正下方,在白紙上過擺球正下方的點,沿南北方向畫一條標(biāo)識線,其它幾條直線作單擺擺線擺動平面轉(zhuǎn)動的參考線,幾條直線的交點置于擺錘靜止時的正下方(如圖9)．通過前期試驗對比,發(fā)現(xiàn)讓單擺沿著南北方向開始擺動,實驗現(xiàn)象比較明顯．

圖6

圖8

圖9

2.3.2 經(jīng)典再現(xiàn),實證地球自轉(zhuǎn)

通過反復(fù)調(diào)試,由師生親手制作的一個“微型傅科擺”終于“誕生”了．這個單擺雖然連續(xù)擺動的時間有限,擺動幅度衰減的較快,但在前期穩(wěn)定擺動的約一小時內(nèi),還是可以明顯地觀察到擺線擺動平面相對地面的轉(zhuǎn)動情況,取得了預(yù)期的實驗效果．為了觀察并記錄這一“漫長”實驗現(xiàn)象的漸變過程,筆者對“微型傅科擺”的擺動全程進(jìn)行了視頻錄像記錄,經(jīng)過后期編輯處理,可以使大家在較短的時間內(nèi),通過視頻快進(jìn)和暫停功能,更加便捷清晰的觀察到不同時間段內(nèi)擺線擺動平面相對地面的轉(zhuǎn)動情況,從而對實驗過程和實驗現(xiàn)象有了一個更加清晰的認(rèn)識．圖10和圖11為實驗開始時擺錘沿著南北方向擺動的情況,圖12和圖13反映了經(jīng)過30 min左右擺錘的擺動情況,與初始運動情況相比,擺線的擺動平面相對地面發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)動．圖14和圖15反映了經(jīng)過1 h左右擺錘的擺動情況,與初始運動情況相比,擺線的擺動平面相對地面發(fā)生了更為明顯的轉(zhuǎn)動．

圖10

圖11

圖12

圖13

圖14

圖15

研究小組的同學(xué)把錄制的實驗過程視頻給全班同學(xué)進(jìn)行了播放展示,結(jié)合實驗裝置給他們講解了如何利用單擺研究地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的,幫助大家進(jìn)一步確立了正確的宇宙星球運行的物理觀念．同學(xué)們的贊嘆更加提升了研究小組成員的成就感和自豪感,在他們的心中

播下了收獲希望的種子,為他們以后積極投入科學(xué)研究奠定了堅實的精神基礎(chǔ)．

2.4 明確研究意義,培育核心素養(yǎng)

在“微型傅科擺”的制作過程中,我們在追求實驗現(xiàn)象明顯,實驗結(jié)論準(zhǔn)確的同時,更重要的是積極引導(dǎo)學(xué)生理解萊昂·傅科利用單擺研究地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象實驗的重要歷史意義,學(xué)習(xí)并感悟該實驗所運用的科學(xué)研究方法．同時引導(dǎo)學(xué)生親歷實驗研究的全部過程,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生多方面的物理核心素養(yǎng),為學(xué)生的全面發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)．

通過學(xué)習(xí)總結(jié),學(xué)生進(jìn)一步理解了萊昂·傅科利用單擺驗證地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象實驗的非凡意義,知道傅科擺實驗是世界科學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義的事件．傅科利用最簡單的實驗裝置,最巧妙的實驗原理,間接的推證了地球“在自轉(zhuǎn)”這一客觀事實,突破了人類“不識廬山真面目”的認(rèn)知局限性,開辟了人類認(rèn)識宇宙世界的新紀(jì)元．萊昂·傅科運用極為簡單的裝置,揭示復(fù)雜抽象的自然現(xiàn)象規(guī)律的實驗研究方法,被以后的許多科學(xué)家所推崇和借鑒,已成為物理典型實驗方法中一顆璀璨耀眼的明珠,熠熠生輝,永不凋零．

通過經(jīng)歷對傅科擺原理的分析討論,對“微型傅科擺”實驗裝置的制作調(diào)試,對實驗現(xiàn)象的觀察,實驗結(jié)果的分析論證,使得參與實驗研究活動的學(xué)生進(jìn)一步確立了科學(xué)的宇宙觀念,提升了他們比較分析,解決實際問題的物理科學(xué)思維能力和多方面的科學(xué)探究能力,引導(dǎo)并幫助他們樹立了不輕信盲從,科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和責(zé)任．通過展示實驗過程和實驗結(jié)果,使學(xué)生再一次體會到通過不懈努力獲得最終成功的喜悅,激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué),獻(xiàn)身科學(xué)的責(zé)任感．