對單擺振動圖像演示實驗的改進(jìn)

王鳳俠

(西北大學(xué)附中，陜西 西安 710069)

人教版高中物理“單擺”安排在“簡諧運動”學(xué)習(xí)之后，作為簡諧運動的新模型，學(xué)生的認(rèn)知水平尚不足,在教學(xué)過程中，需要通過演示實驗得到單擺在擺角不大的情況下，其擺動圖像為正(余)弦曲線，從而說明單擺的擺動為簡諧運動.但現(xiàn)行的演示實驗存在一些不足之處，不利于發(fā)揮實驗教學(xué)的優(yōu)勢，培育學(xué)生的物理素養(yǎng).鑒此，本文從有益于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)入手，對幾種常見的演示實驗方案不足之處進(jìn)行分析，設(shè)計制作了單擺振動圖像演示裝置.

1 常見的演示實驗方案不足之處分析

方案1： 利用沙擺演示振動圖像.

如圖1所示，此方案存在的問題： (1) 單線擺在振動過程中會出現(xiàn)不在一個平面的可能,(2) 隨著沙子的下漏，等效擺長在發(fā)生變化.

圖1

方案2： 利用毛筆尖在紙板上畫出痕跡.

如圖2所示，在擺球下端安裝一支毛筆，利用毛筆尖在紙板上畫出痕跡，此方案存在的問題： (1)毛筆尖與紙板的摩擦力嚴(yán)重影響實驗效果，(2)對學(xué)生構(gòu)建單擺模型不利，(3)圖線的粗細(xì)不一.

方案3：教材方案.

如圖3所示，除去活塞的注射器通過細(xì)管口向下滴墨水，用手勻速拖動一張白紙,以顯示單擺振動的圖像.此方案最大的成功之處是利用雙線擺代替單線擺，確保擺球始終在同一豎直平面內(nèi)擺動，其次，沿用了方案2的改進(jìn)思路，成功地解決了沙擺與紙板間摩擦力的問題.然而，此方案還存在以下幾個問題：(1)針筒過大，質(zhì)量較輕，不能視為單擺； (2)墨水的下滴不能有效地控制；(3)用手拉動紙板運動，不能確保紙板的速度恒定.

圖2

2 改進(jìn)后的實驗裝置介紹

(1) 沿用教材思路將單線擺改裝成雙線擺，以確保擺錘只在同一個豎直平面內(nèi)運動,如圖4所示.

圖4

(2) 選用質(zhì)量較大的擺錘(擺錘質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墨水的質(zhì)量,確保擺錘重心不變)，在下端安裝一個注射器針頭穿過擺錘，連接一細(xì)軟管和注射器相連.如圖5所示，擺錘擺動穩(wěn)定后，手推動注射器柱塞，墨水均勻滴下.這樣的設(shè)計既能讓等效擺長保持不變，還能讓滴在紙板上的墨跡更清晰地反映擺錘在不同時刻的振動位置，便于觀察研究.

圖5

(3) 用電機(jī)帶動滾輪以拉動紙板勻速運動，如圖6所示，能讓紙板位移的均勻變化反映時間的均勻流逝.如果加裝一個電機(jī)調(diào)速器，還可以演示紙板不同速度下運行時所繪振動圖像的情況.

(4) 通過支架高度的調(diào)節(jié)，以改變擺長，如圖7所示，可以演示不同擺長時的振動圖像.

(5) 利用電磁開關(guān)，如圖8所示，確保擺錘無初速釋放.

圖7

3 實驗過程及效果

在本實驗的課堂教學(xué)實踐中，首先給學(xué)生展示常見的實驗方案和教材提供的方案，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)各種實驗方案中存在的問題.針對發(fā)現(xiàn)的問題啟發(fā)、鼓勵學(xué)生設(shè)計實驗改進(jìn)方案，通過師生之間、生生之間的交流探討，優(yōu)化改進(jìn)方案，逐步在大家腦海中形成最為合理的改進(jìn)方案，同時鼓勵學(xué)生課后嘗試完成各種富有創(chuàng)意的實驗方案設(shè)想.在課堂實驗教學(xué)中通過這樣的方式，逐步培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、創(chuàng)新能力，也深層次激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和探究自然奧妙的欲望.

在深入思考與討論的基礎(chǔ)上，教師再展示出改進(jìn)方案的實驗裝置實物，同學(xué)生一起進(jìn)行單擺振動圖像的描繪，親身體會簡諧運動過程，觀察單擺振動的規(guī)律，逐步認(rèn)識單擺的運動是簡諧運動.利用改進(jìn)的實驗裝置，還可以進(jìn)行擺長不變，紙板速度不同、擺長不同，紙板速度不變兩種對比實驗，進(jìn)一步研究單擺的振動規(guī)律，例如，保持紙板運行速度不變，改變擺長，(抬高框架的高度，同時調(diào)節(jié)擺長)，在紙板上各留下一個周期的痕跡，用剪刀剪下每一個周期對應(yīng)的紙板進(jìn)行對比，對比發(fā)現(xiàn)，紙板在相同速度運行下，擺長增長，一個周期內(nèi)紙板運動的距離變長，說明單擺擺動的周期變大.這是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常遇到的難點問題，通過這樣直觀的對比實驗，學(xué)生很容易突破了這個知識難點.

4 對教學(xué)的啟發(fā)

在學(xué)習(xí)物理的過程中，要形成物理概念和認(rèn)識物理規(guī)律，培養(yǎng)科學(xué)探究意識和創(chuàng)新意識，全面提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，實驗教學(xué)是非常重要而且有效的一個環(huán)節(jié)和途徑.精心設(shè)計的實驗在學(xué)生對物理事實獲得明確、具體認(rèn)識的同時，通過學(xué)生的設(shè)計和過程的參與，學(xué)生的思維能力、實踐操作能力、創(chuàng)新能力、合作探究的能力都會得到提高.