單擺實(shí)驗(yàn)的探究

洪維貞，傅求寶，邢海根

(1.廬江中學(xué)實(shí)驗(yàn)初中，安徽 廬江 231500；2.廬江縣教體局教研室，安徽 廬江 231500)

教材上“探究擺的奧秘”實(shí)驗(yàn)采取在鐵架臺上固定擺球，分別改變擺重、擺長、擺角，通過控制變量法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用擺動(dòng)20次、30次來計(jì)時(shí)，收集數(shù)據(jù)，分析得出結(jié)論. 實(shí)際上是設(shè)置了探究擺的周期的最捷徑方案，不符合探究擺的周期的真實(shí)過程[1].

1 制作“準(zhǔn)單擺”

實(shí)驗(yàn)器材：4個(gè)乒乓球(其中3個(gè)有開孔)、水、砂、粉、剪刀、裁紙刀、502膠水、細(xì)線等.

在3個(gè)開有個(gè)小孔的乒乓球內(nèi)分別裝滿水、粉和砂. 再把另一個(gè)乒乓球剪開，剪下3個(gè)比小孔稍大的小塊，在每個(gè)小塊的凹表面均勻地涂上502膠水，把細(xì)線的一端放在涂過膠水的表面，最后把這3個(gè)小塊緊壓在小孔上將小孔堵住，便制成“準(zhǔn)單擺”.

將2個(gè)裝有同種物質(zhì)、擺線長度相同的乒乓球拉至鐵架臺豎桿不同的距離，自由釋放，觀察哪個(gè)乒乓球先到達(dá)平衡位置研究擺角對擺的周期的影響；取擺線長度不同裝有同種物質(zhì)的乒乓球，拉到相同擺角的位置同時(shí)自由釋放，觀察哪個(gè)乒乓球先到達(dá)平衡位置，比較擺線長短對擺周期的影響. 取擺線長度相同質(zhì)量不同的2個(gè)乒乓球，拉到相同擺角的位置同時(shí)自由釋放，觀察哪個(gè)乒乓球先到達(dá)平衡位置，便可比較擺的質(zhì)量對擺周期的影響.

2 實(shí)驗(yàn)探究

2.1 擺的周期與擺線一端到擺錘中心的距離的關(guān)系

如圖1所示，取相同長度的擺線2根，1根下方固定1只乒乓球，另1根下方固定3個(gè)乒乓球，分別系在鐵架臺的橫桿的不同位置，都拉到相同的擺角處同時(shí)自由釋放，觀察某一乒乓球到達(dá)平衡位置的現(xiàn)象.

圖1 探究擺的周期與擺線的一端到擺錘中心的距離

顯然，擺線長度相同，但擺的周期不同，可得出擺的周期與擺線的一端到擺錘中心的距離大小有關(guān)[2].

2.2 擺的周期與擺線一端到擺錘重心的距離的關(guān)系

如圖2所示，取2個(gè)相同長度的擺線，在擺線下端連續(xù)掛2個(gè)分別裝滿砂與裝滿水的乒乓球，只不過兩球的上下位置相反. 將它們分別掛在鐵架臺的橫桿上，拉到相同擺角，同時(shí)自由釋放，觀察某乒乓球到達(dá)平衡位置的情況[3].

圖2 探究擺的周期與擺線一端到擺錘重心的距離的關(guān)系

發(fā)現(xiàn)2個(gè)球中上方裝滿砂的先擺到平衡位置，而這2個(gè)擺的擺線一端到擺錘的中心距離相同，說明上述結(jié)論不正確，原來擺的周期由擺線的一端到擺錘的重心的距離決定. 物理學(xué)上把擺線的一端到擺錘重心的距離叫擺長,擺的周期是由擺長決定，擺長越大，擺的周期就越大[4].

2.3 影響擺的周期的次要因素

如圖3所示，取擺長相同，1個(gè)擺錘為裝有砂的乒乓球，1個(gè)擺錘為小鋼球，調(diào)節(jié)乒乓球內(nèi)砂的多少，使2個(gè)球的質(zhì)量相同，將它們并列懸掛在鐵架臺的橫桿上，拉到同一擺角，同時(shí)自由釋放，觀察某個(gè)擺錘到達(dá)平衡位置的情況.

發(fā)現(xiàn)小鋼球的單擺擺得快，先到達(dá)平衡位置. 表面上是擺錘大小不同，但擺在運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于擺錘大小不同，受到空氣阻力不同，實(shí)驗(yàn)說明擺的周期可能受擺錘大小影響，也可能受空氣阻力影響[5].

圖3 探究不同材質(zhì)的小球?qū)螖[周期的影響

2.4 擺的周期與空氣阻力的關(guān)系

在鐘罩內(nèi)固定一橫桿，取擺長相同，1個(gè)擺錘為裝有砂的乒乓球，1個(gè)擺錘為小鋼球，調(diào)節(jié)乒乓球內(nèi)砂的多少，使2個(gè)球的質(zhì)量相同，將它們并列懸掛在鐘罩內(nèi)的橫桿上，拉到同一擺角，如圖4所示，將2球同時(shí)自由釋放，并用抽氣機(jī)抽氣，一段時(shí)間后，觀察到2球擺動(dòng)時(shí)每次都同時(shí)到達(dá)豎直位置，如圖5所示.

圖4 有空氣時(shí)擺球擺動(dòng) 圖5 抽氣后擺球擺動(dòng)

分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，在不受空氣阻力時(shí)，擺錘大小不同，擺的周期相同，說明擺的周期與擺錘的大小無關(guān)，與受空氣阻力大小有關(guān).

2.5 探究擺的周期與擺長的定量關(guān)系

取幾個(gè)配有細(xì)線小鋼球，利用刻度尺制成不同擺長的單擺，分別固定在鐵架臺上，將擺拉到約小于5°處自由釋放，當(dāng)鋼球到達(dá)平衡位置時(shí)，用秒表計(jì)時(shí)，測量30個(gè)周期t，數(shù)據(jù)如表1所示，擺的周期與擺長的平方根成正比關(guān)系如圖6所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 擺的周期與擺長的平方根的關(guān)系

3 建立單擺理想模型

4 結(jié)束語

在探究教學(xué)中，應(yīng)從人類認(rèn)知事物的規(guī)律出發(fā)，經(jīng)過探究與再探究的過程，使學(xué)生的感性認(rèn)識與理性認(rèn)識以螺旋式上升. 核心素養(yǎng)視域下的科學(xué)探究，包含物理觀念的建立、科學(xué)思維培養(yǎng)與科學(xué)態(tài)度及社會(huì)責(zé)任的形成；要強(qiáng)調(diào)認(rèn)證、質(zhì)疑、創(chuàng)新，講究實(shí)事求是，不迷信權(quán)威，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源等素養(yǎng)的形成. 在科學(xué)探究的教學(xué)中，教師根據(jù)教材重新開發(fā)課程資源，這不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能通過激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，在實(shí)際操作中來培養(yǎng)學(xué)生的操作能力. 在實(shí)驗(yàn)中教師要以一絲不茍的科學(xué)態(tài)度來引導(dǎo)，用發(fā)明創(chuàng)新方法來解決教學(xué)中的需要，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感.