多功能傅科擺演示器

王葉青

項目摘要

該演示器適合在小學科學課及中學物理課上講述有關地球自轉的知識時作為輔助教具。它利用廉價易得的材料制作，可以直觀地呈現傅科擺的原理從而證明地球的自轉。該裝置具有證明過程科學嚴謹、體積小、操作方便、演示時間短、演示效果顯著、制作成本低廉等優點，該裝置還能應用于科學課及物理課學習中涉及的所有關于擺的實驗，能有效地降低學習者的理解難度。

項目背景及基本思路

項目背景

1851年，法國著名物理學家傅科為了驗證地球自轉進行了一系列壯觀的實驗，那次實驗所用的裝置被人們稱之為傅科擺，這也是人類第一個用實驗驗證地球自轉的裝置。

該實驗在教科版小學《科學》5年級下冊第4單元第3課“證明地球自轉”中介紹。這一課中教材安排了2個活動：探究擺的特點和傅科擺的原理。第1個活動存在4點不足。

整個裝置沒有以擺繩頂點為中心旋轉，容易形成圓錐擺；

擺在擺動過程中會撞到鐵架臺，導致實驗失?。?/p>

整個裝置不平穩，鐵架臺容易傾倒，不易操作；

證明過程不夠科學嚴謹。

教材的第2個活動僅用圖片、文字及配套教材視頻讓學生理解傅科擺的原理，為什么不以實驗的形式呈現呢？因為真正的傅科擺擺錘重量高達28千克，擺繩長達67米，這樣20多層樓高的傅科擺只有在天文館等一些專業科普場館可見，這就導致學生不能在課堂上親眼見證、親手探究，理解起來相當困難，遠離中心城市的學生更是連參觀一次的機會都非常稀少。為了克服在教學中遇到的一系列困惑，我制作了傅科擺模型模擬該實驗。

基本思路

首先突破教材中活動1的缺陷，嚴格按照傅科擺的運行原理制作出演示器證明地球自轉；然后畫出設計圖紙，并尋找生活中常用或廢棄材料用于組裝裝置，包括置物架、吊線錘、輪子、卷尺等。在反復實驗過程中不斷改進設計，將輪子改成餐桌轉盤使其可以平穩地圍繞圓心轉動，加入量角器、牙簽等形成多功能演示器，將置物架改造成木質框架，加入霧化器和激光筆以顯示擺的特點。最后，加入攝像功能直觀展示刻度盤上示數的變化。完成后的傅科擺演示器如圖所示。

項目應用的科學方法和科學原理

首先利用光沿直線傳播的特點證明擺具有保持擺動方向不變的特點，餐桌轉盤可以讓整個裝置平穩地圍繞擺錘錘心進行圓周旋轉，完美地模擬地球自轉。擺的擺動方向不變，但擺錘指示的刻度盤示數在不斷變化，從而證明刻度盤在隨著地球自轉。

演示器使用方法

首先讓擺沿著激光的照射方向擺動起來，緩慢而平穩地轉動整個裝置，可以觀察到擺錘擺動的方向始終沿著光的照射方向，由此證明擺具有保持擺動方向不變的特點。

在裝置底盤放上刻度盤，讓擺再次擺動起來，接通電源讓整個裝置平穩勻速逆時針旋轉，發現隨著時間的流逝，擺指示的刻度不斷地發生變化。擺可以保持擺動方向不變，但指示的刻度在發生變化，并通過攝像將整個過程展現出來，說明整個裝置在隨著這個“地球”即圓盤底座一起轉動，由此證明地球在自轉。

通過更換擺錘、用木塞及卷尺控制擺繩長度、用自制量角器改變擺角大小等手段探究擺擺動快慢的影響因素。

項目創新點

利用光沿直線傳播的特性證明單擺具有保持擺動方向不變的特點，更科學嚴謹，也更加直觀。

裝置底座設置自動餐桌轉盤，可使整個裝置自動圍繞擺繩作圓周轉動，從而有效模擬傅科擺原理，裝置的開關插頭等設計在底座外面，操作起來更加方便。

把卷尺、自制量角器、吊線錘等與單擺結合，可以演示多種單擺探究實驗。

整個裝置采用自制木架結構，節約成本，牢固美觀。

由于安裝了攝像頭，演示器可以直觀地展示擺錘指示的刻度盤示數的變化，真實地模擬1851年傅科做實驗的場景。

該裝置還具有證明方法科學嚴謹、體積小、操作方便、演示時間短、演示效果顯著等優點。

項目使用情況和進一步完善設想

使用情況

該演示器已在宿遷市實驗小學5年級科學課教學中投入使用2學年，成功地突破了長期以來的教學難點，學生對傅科擺原理的接受程度大大提高，教學效果明顯。

進一步完善設想

繼續對整個裝置的木架結構進行改裝，將其變為組合式，以便可拆可卸，攜帶方便。

該項目獲得第32屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

該項目制作了多功能傅科擺演示器，直觀證明地球自轉。該項目原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創新，對傳統方法有突破。作品效果顯著，制作規范，具有示范推廣價值。項目資料齊全，研究報告書寫規范。希望該項目在教具材質方面作出改進和提升。