對單擺振動圖像演示實驗的改進

王鳳俠

(西北大學附中，陜西 西安 710069)

人教版高中物理“單擺”安排在“簡諧運動”學習之后，作為簡諧運動的新模型，學生的認知水平尚不足,在教學過程中，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.但現行的演示實驗存在一些不足之處，不利于發揮實驗教學的優勢，培育學生的物理素養.鑒此，本文從有益于培養學生核心素養入手，對幾種常見的演示實驗方案不足之處進行分析，設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不在一個平面的可能,(2) 隨著沙子的下漏，等效擺長在發生變化.

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重影響實驗效果，(2)對學生構建單擺模型不利，(3)圖線的粗細不一.

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擺動，其次，沿用了方案2的改進思路，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運動,如圖4所示.

圖4

(2) 選用質量較大的擺錘(擺錘質量遠遠大于墨水的質量,確保擺錘重心不變)，在下端安裝一個注射器針頭穿過擺錘，連接一細軟管和注射器相連.如圖5所示，擺錘擺動穩定后，手推動注射器柱塞，墨水均勻滴下.這樣的設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.如果加裝一個電機調速器，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) 通過支架高度的調節，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，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實踐中，首先給學生展示常見的實驗方案和教材提供的方案，引導學生發現各種實驗方案中存在的問題.針對發現的問題啟發、鼓勵學生設計實驗改進方案，通過師生之間、生生之間的交流探討，優化改進方案，逐步在大家腦海中形成最為合理的改進方案，同時鼓勵學生課后嘗試完成各種富有創意的實驗方案設想.在課堂實驗教學中通過這樣的方式，逐步培養學生的問題意識、創新能力，也深層次激發了學生學習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上，教師再展示出改進方案的實驗裝置實物，同學生一起進行單擺振動圖像的描繪，親身體會簡諧運動過程，觀察單擺振動的規律，逐步認識單擺的運動是簡諧運動.利用改進的實驗裝置，還可以進行擺長不變，紙板速度不同、擺長不同，紙板速度不變兩種對比實驗，進一步研究單擺的振動規律，例如，保持紙板運行速度不變，改變擺長，(抬高框架的高度，同時調節擺長)，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的紙板進行對比，對比發現，紙板在相同速度運行下，擺長增長，一個周期內紙板運動的距離變長，說明單擺擺動的周期變大.這是學生學習過程中經常遇到的難點問題，通過這樣直觀的對比實驗，學生很容易突破了這個知識難點.

4 對教學的啟發

在學習物理的過程中，要形成物理概念和認識物理規律，培養科學探究意識和創新意識，全面提高學生的核心素養，實驗教學是非常重要而且有效的一個環節和途徑.精心設計的實驗在學生對物理事實獲得明確、具體認識的同時，通過學生的設計和過程的參與，學生的思維能力、實踐操作能力、創新能力、合作探究的能力都會得到提高.