簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

齊　偉

引言：度量時(shí)間

人們與時(shí)間為伍，并且努力地度量它。從青春到老年，時(shí)間構(gòu)造了人們的生命歷程，因?yàn)闀r(shí)間的重要性，人們期望能夠有記錄它腳步的工具。

大約公元前3500年發(fā)明了第一個(gè)計(jì)時(shí)工具，它是根據(jù)太陽的影子計(jì)時(shí)的，就像一個(gè)簡(jiǎn)單的日晷。1510年發(fā)明了第一個(gè)彈簧鐘表，幾年后，伽利略發(fā)現(xiàn)了單擺的周期性，并于1656年發(fā)明了第一個(gè)擺鐘。

幾個(gè)世紀(jì)過去了，人們制造了更多的鐘表，從石英鐘到原子鐘、電子鐘，然而幾乎所有的鐘表都是依據(jù)機(jī)械裝置的恒久運(yùn)動(dòng)來度量時(shí)間。

活動(dòng)設(shè)計(jì)

不論是自然的還是人工制作的，很多物體都能夠做恒定的周期性運(yùn)動(dòng)，這些物體都能夠作為計(jì)時(shí)工具，比如簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)——它的運(yùn)動(dòng)有周期性——一種極好的度量時(shí)間的方法，就像白天和黑夜的交替。

下面我們學(xué)習(xí)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，并且通過操作單擺和彈簧振子理解運(yùn)動(dòng)的周期性。

互動(dòng)課件地址：http://www.explorelearning.com/index.cfm?method=cResource.dspDetail&ResourceID=44

程序中提供了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)典型模型——彈簧振子和單擺。你可以改變的物理量有：彈簧振子的質(zhì)量（mass），彈簧的勁度系數(shù)（k）；單擺的擺長(zhǎng)（length），單擺小球的質(zhì)量（mass）；重力加速度（g）。

根據(jù)你自己的喜好設(shè)定好上面的各個(gè)物理量，利用計(jì)算機(jī)上提供的計(jì)時(shí)工具來測(cè)量簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)和單擺的周期。這需要你花費(fèi)一定的時(shí)間來完成這些操作。

在測(cè)量出某種狀態(tài)下的周期之后，再改變某一個(gè)物理量（注意：一次只能改變一個(gè)物理量），測(cè)量這時(shí)的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)周期，從而找出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)周期和哪些因素有關(guān)系。你能夠發(fā)現(xiàn)單擺和彈簧振子之間有一些相同的現(xiàn)象，但是也有一些意想不到的區(qū)別。

為了幫助你研究周期的特點(diǎn)，請(qǐng)?zhí)顚懴旅娴谋砀瘢軌驇椭阌兴l(fā)現(xiàn)。

課后延伸：探究祖父的座鐘

祖父的座鐘——有擺的落地座鐘，得名于Henry Work在1875年寫的一句歌詞：“啊，我祖父的座鐘……”雖然座鐘的結(jié)構(gòu)比單擺復(fù)雜，但是它的基本原理比你想象的要簡(jiǎn)單。

鐘的擺錘上端連接一個(gè)物體，當(dāng)擺錘擺動(dòng)時(shí)，通過該物體帶動(dòng)齒輪，從而使表針能夠嘀嗒嘀嗒地走。真實(shí)的單擺會(huì)由于阻力而逐漸損耗能量，并且在鐘表里還需要帶動(dòng)表針走動(dòng)，則損失的能量就更多了。然而，座鐘通過一對(duì)兒重物來補(bǔ)充能量。

一個(gè)重物和齒輪相連，給齒輪和表針的運(yùn)動(dòng)提供能量；另一個(gè)重物連接在發(fā)條上，這樣就能夠維持座鐘走幾天。用一個(gè)物體通過擺線帶動(dòng)擺錘輕輕地?cái)[動(dòng)也是為了克服摩擦力，能夠使座鐘按照固定的速度走。

推薦資源

A Walk Through Time：http://physics.nist.gov/GenInt/Time/time.html

（一個(gè)關(guān)于時(shí)間的主題網(wǎng)站，包括古代的歷法，鐘表的起源和發(fā)展，原子的壽命，地球上的時(shí)差和時(shí)區(qū)等）

How Pendulum Clocks Work：http://www.howstuffworks.com/clock.htm

（介紹擺鐘的原理和機(jī)械構(gòu)造）