豐富多彩的“單擺實驗”

李世紀

摘要：物理是高中階段的重要學科，學好物理不僅能提高高考成績，還能提高我們的邏輯思考能力和動手實踐能力。但是物理作為理科知識，所學內容往往比較抽象，學習起來難度較大，需要細心鉆研，勤奮實驗才能有所收獲，這給同學們帶來不少困擾。實際上物理是一門很有趣的學問，如果能潛心學習就能發現枯燥知識背后的趣味，感受物理律動的美感。

關鍵詞：單擺實驗 單擺裝置 高中物理

物理是一門兼具理論與實驗的學科，高中三年有我們從無數實驗中領悟物理知識的真諦，激發了我們的動手能力和理性思考能力。單擺實驗是高中物理教育中的重要實驗之一，它的基本內容為用重量可忽視的細線吊起一質量為m的重錘，使其左右擺動，當擺角為0度時，重錘所受合外力大小等于小球本身的重力，通過該實驗我們能了解關于重力加速度和單擺振動周期的相關知識，筆者結合自己的學習經驗認為該問題可以從以下幾個方面分析。

一、單擺裝置的基本概述

單擺裝置是一個簡易的物理實驗，實驗工具包括單擺、米尺、停表（或數字毫秒計）、游標卡尺，將這些工具組合起來就能進行單擺實驗了。經過實驗我們知道單擺裝置會出現六種實驗表征分別是振動、擺動、碰撞、轉動、下垂、下落（如圖一），這六種屬性在高中物理教育中均有重要意義，實驗步驟簡單易操作，深受老師與同學們的喜愛，本文選取最實用的三種屬性進行分析，闡述單擺裝置在高中物理實驗中的的開發和應用。

二、振動屬性的開發和應用

振動是單擺實驗最被引用的屬性，因為通過單擺實驗的論證可以探究物體振動的規律，進而利用這些規律和已知條件計算物理的重力加速度、單擺裝置的振動周期以及振動頻率等。

（一）重力加速度與身高實驗

重力加速度與身高實驗可以利用單擺周期公式測量計算，首先安裝單擺裝置，然后利用計時器記錄單擺周期，設單擺長度為x，這時錘的線的加速度受單擺長度變化而變化，所以單擺角加速度就能求得，也就是說振動的角加速度和角位移成比例，式中的負號表示角加速度和角位移的方向總是相反。此時單擺的振動是簡諧振動。從理論分析得知，其振動周期和上述比例系數的關系是一定的。然后利用公式就可計算出該單擺的重力加速度。身高實驗就更容易了，將同學的身高定為擺長，然后重復上述經過就能計算出同學的重力加速度。

（二）單擺振動周期的影響因素

單擺振動周期與擺長有關，可以做分組對照實驗，比如將擺長分別定為10m、6m、3m，感受不同跨度單擺振動周期的差異。當擺長達10m時，我們將它放置在教學樓最高層，從窗邊進行實驗，它單擺的周期大約在6、7s左右，經過反復實驗發現擺長大小與振動周期是分不開的，同時大鐵球質量影響振幅如果利用磁鐵就能改變回力大小，這對我們學習單擺振動周期有很大幫助。

三、擺動屬性的開發和應用

振動實驗與擺動實驗往往容易讓人混淆，通過咨詢老師筆者發現振動實驗側重于單擺的反復多次擺動的規律，而這里提到的擺動屬性更側重于‘某次擺動的狀況，也就是說探究什么情況下單擺裝置會發生擺動現象，如果擺動它將向前還是向后，擺動過程中勢能與動能的變化大小如何。根據該問題我們可以探究物體的能量守恒問題和慣性問題。

（一）慣性實驗

印證慣性實驗，就要把簡單的單擺裝置轉化成單擺小車，當小車從靜止狀態向加速過渡時，車上的單擺必然后向后擺動。而當小車在勻速運動中突然被截停，車上的單擺會向前擺動，這就說明了慣性現象。

（二）能量守恒

首先將單擺小車放在光滑的玻璃平面上，然后讓擺球移動，這時我們會發現單擺小車也隨著擺球的移動向相反的方向變化，這是能量守恒中的動量守恒現象。如果使用普通單擺裝置，將單擺從一側的最高點a擺到另一側的最高點b，拿著兩側的最高點應該是等高的，這證明了物體的機械能量守恒。值得一提的是，老師在課堂上讓我們把單擺的鐵球從鼻尖的位置釋放，當鐵球擺動回來并不會再次碰觸鼻尖，也說明了這個結論。

四、下落屬性的開發和應用

將單擺裝置靜置不動時，單擺會自然下垂，我們剪短連接鐵塊的細線，擺球會出現自然下落現象，這一屬性可以幫助我們掌握物體的重力加速度、印證小球慣性、演示動能和勢能的相互轉化等。

五、結語

總之，單擺裝置帶來的實驗和理論是豐富多彩的，通過單擺實驗我們會驚喜的發現一個如此簡易的裝置就能涉及這么多物理知識，在不斷振動、碰撞、下落的過程中我們體驗了物理的樂趣，感受了物理知識的博大精深，作為一名高中生要不斷發現身邊的物理現象，讓實驗變得更有趣、充分發揮物理的魅力。