以問題為引領(lǐng) 創(chuàng)新設(shè)計實驗
——以單擺周期探究儀設(shè)計為例

張連之

(江蘇省連云港市贛榆區(qū)教育局教研室，江蘇 連云港 222100)

1 引言

簡諧運動是最簡單的機械振動,但對學(xué)生而言則是一種復(fù)雜的運動形式．單擺作為生活中抽象出來的物理模型,是簡諧運動的典型實例,與人們的日常生活、生產(chǎn)實踐、科學(xué)研究有著密切的關(guān)系．引領(lǐng)學(xué)生探究單擺的周期關(guān)系式,一方面可以加深對簡諧運動規(guī)律及其特點的理解,為以后學(xué)習(xí)電磁振蕩、電磁波和光的本性奠定基礎(chǔ);另一方面還可以培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力,特別是創(chuàng)新設(shè)計實驗?zāi)芰?、處理?shù)據(jù)信息的能力,從而進一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識,提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)．

2 問題的提出

普通課程標準(2017年版)(以下簡稱課程標準)明確提出“知道單擺周期與擺長、重力加速度的關(guān)系”,但是由于重力加速度隨位置變化很小,很難用實驗的方法探究單擺的周期與重力加速度的關(guān)系,因此課程標準指出“通過實驗,探究單擺的周期與擺長的定量關(guān)系”,[1]現(xiàn)行的各種版本教材也沒有給出“探究單擺的周期與重力加速度的關(guān)系”實驗方案．但在實際教學(xué)中學(xué)生希望能夠用實驗的方法探究出“單擺的周期與重力加速度的關(guān)系”,加之課程標準還要求“會用單擺測量重力加速度”,學(xué)生更加渴望能夠設(shè)計實驗,探究“單擺的周期與重力加速度的關(guān)系”．

采用教材中的實驗器材,在探究“單擺的周期與擺球的質(zhì)量是否有關(guān)”時,換用質(zhì)量大小不同的小球進行實驗,由于擺球的大小不一樣,這就需要反復(fù)調(diào)節(jié)擺線的長度才能確保擺長不變,耗時費力,不容易調(diào)節(jié),課堂上浪費了大量的時間．如果能有一種簡潔的方法,既可以改變擺球的質(zhì)量,又可以保持單擺的擺長不變,那就好了．

采用教材中的實驗器材,在使用米尺測量擺線的長度時,要求米尺要和擺線平行且豎直放置,由于學(xué)生操作不夠熟練,米尺很容易放歪,造成測量結(jié)果不夠準確．實驗時要求單擺的擺角θ≤5°,5°的擺角有多大,學(xué)生缺少感性認識,最好能夠自制一個量角器,增強學(xué)生的感性認識,逐步培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ僬咭獙㈦姶盆F、電源和單擺組合起來,還需要自制固定裝置．

3 問題的探究

3.1 巧妙模擬重力場,感悟周期與重力加速度的關(guān)系

圖1 電磁鐵和直流電源

3.2 活用球套固擺長,探究周期與質(zhì)量的關(guān)系

建模后用3D打印機打印出直徑略大于擺球的球殼(在網(wǎng)上購買也可以),里面填上密度不同的橡皮泥,套在小球上,做成質(zhì)量不同但質(zhì)量分布均勻的“球套”(如圖2所示)． 在探究單擺周期與擺球質(zhì)量m的關(guān)系時,將質(zhì)量分布均勻的不同“球套”套在小球上．由于球套的重心和擺球的重心重合,擺長l都是固定點到球心的距離,巧妙地做到既改變擺球的質(zhì)量m,又保持擺長l不變．這樣改進實驗,選材方便、制作簡單、操作容易,省去了控制擺長l不變的繁瑣操作步驟．在新的情境中,能夠用所學(xué)知識(重心)解決問題,既鞏固了舊知識,又激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣．

圖2 質(zhì)量不同的球套

3.3 創(chuàng)新方法測量擺長,自制裝置控制條件

如圖3所示用亞克力板制作長、寬、高分別為40 cm、30 cm、5 cm左右的底座,將電磁鐵及直流電源固定在底座上．再用亞克力板制作長為20 cm、寬為5 cm、高為110 cm長方體作為支架,鑲嵌并固定在底座上,制成“單擺周期探究儀器”．在支架的一面亞克力板(20 cm×110 cm)上豎直貼上長度0-100 cm的刻度線(0刻度線在下方),用3D打印機打印一個內(nèi)徑略大于擺線的筆套狀細管(或用廢舊的圓珠筆套下半部分替代),鑲嵌固定在支架上,將系著擺球的擺線穿過細管向下拉,當擺球被細管擋住時,將與0刻度線對齊的擺線做好標記．實驗時擺線與細管尖端的接觸點即為單擺的固定點,標記向上移動了多少,說明單擺的擺線長度為多少(如圖4所示),單擺的擺長等于標記上移的刻度加上小球的半徑.這樣不僅可以輕松快速地改變及測量擺長l,還另辟蹊徑拓展了學(xué)生的思維,培養(yǎng)了學(xué)生的實驗設(shè)計能力．如圖5所示,在筆套狀細管處加裝大型量角器,精準控制單擺的擺角θ≤5°,確保單擺作的是簡諧運動．

圖3 單擺周期探究儀器

圖4 用標記間接測量擺長

圖5 自制量角器

4 實驗探究過程

4.1 秒表計時,坐標紙上作圖,夯實學(xué)生實驗基礎(chǔ)

(1) 將裝置固定好,用秒表計時,測量出單擺運動的周期．保持單擺的擺長不變,振幅不變,通過套不同“球套”的方法改變小球質(zhì)量,探究單擺的周期與擺球的質(zhì)量是否有關(guān);保持單擺的擺長和擺球的質(zhì)量不變,改變單擺的振幅,探究單擺的周期與振幅是否有關(guān)．

4.2 光電門計時,Excel擬合作圖,培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)能力

(1) 將裝置固定好,把有磁性的螺絲固定在光電門上(如圖6所示),在支架上加裝條形鐵片(如圖7所示).這樣就可以方便快速地改變光電門的位置．利用光電門的單擺模式測量出單擺的周期T,擺動2-3次即可精確獲?。３謫螖[的擺長不變,振幅不變,通過套不同“球套”的方法改變小球質(zhì)量,探究單擺的周期與擺球的質(zhì)量是否有關(guān);保持單擺的擺長和擺球的質(zhì)量不變,改變單擺的振幅,探究單擺的周期與振幅是否有關(guān)．

圖6 磁性螺絲固定在光電門上

圖7 在支架上加裝鐵片

5 總結(jié)與展望

筆者對期刊文獻上的單擺周期探究儀器進行了分析對比,并對器材市場現(xiàn)有單擺周期探究儀器調(diào)查研究．針對傳統(tǒng)實驗器材不能探究單擺的周期與重力加速度的關(guān)系;改變擺球的質(zhì)量而保持單擺的擺長不變,操作繁瑣等問題,以實用性作為設(shè)計原則,巧妙利用“磁場+重力場”模擬重力場、制作特殊“球套”等方法對實驗進行改進,具有以下特點.

5.1 豐富探究內(nèi)容,增強感性認識,培養(yǎng)創(chuàng)新意識

傳統(tǒng)的實驗器材無法探究單擺的周期與重力加速度的關(guān)系.本實驗器材創(chuàng)造性地利用“磁場+重力場”來等效重力場,將等效的思想付諸于實踐,不僅豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容,增強學(xué)生的感性認識;[3]還啟發(fā)學(xué)生要敢于將知識轉(zhuǎn)化為“生產(chǎn)力”,對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識具有重要意義．

5.2 另辟改進蹊徑,操作簡潔方便,鍛煉科學(xué)思維

針對改變擺球質(zhì)量,難以控制擺長不變的問題,自制“球套”改變擺球質(zhì)量;針對擺線長度不易準確測量的問題,借用標記間接測量擺線長度;針對學(xué)生對角度缺少感性認識,加裝量角器控制條件,這些改進使實驗操作變得簡潔,同時還鍛煉了學(xué)生的科學(xué)思維,對學(xué)生進行了方法論教育．

5.3 常規(guī)現(xiàn)代結(jié)合,繼承發(fā)展相融,提高實驗技能

利用自制的實驗器材進行實驗,不僅可以使用秒表計時測量周期,手繪作圖處理實驗數(shù)據(jù),增強學(xué)生的感性認識,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力;而且還可以用光電門使用軟件測量周期,用Excel表格擬合圖像處理實驗數(shù)據(jù),讓學(xué)生感悟到科技的發(fā)展對人類生活促進作用,在繼承中提高了學(xué)生利用現(xiàn)代信息技術(shù)進行物理實驗的能力．