用單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

陜西省綏德縣第一中學(xué)(718000) 蘇 宏

1 創(chuàng)新思路

1.1 測(cè)量擺長(zhǎng)

為了減小誤差,要不斷改變擺長(zhǎng)。由于擺線比較長(zhǎng),每次測(cè)量還要改變懸點(diǎn),操作很不方便。鑒于此,筆者嘗試將一個(gè)帶有小孔的鐵棒固定在鐵架臺(tái)上,讓細(xì)線穿過小孔,那么,小球擺動(dòng)時(shí)這個(gè)小孔就相當(dāng)于懸點(diǎn),小球球心到小孔的距離就是擺長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)移動(dòng)鐵架臺(tái)上的鐵棒,小孔也跟著移動(dòng),擺長(zhǎng)也隨之改變。如圖1所示,設(shè)懸點(diǎn)O離球心距離為L(zhǎng)0,小孔O′與O點(diǎn)距離為L(zhǎng)′,則擺長(zhǎng)L＝L0-L′。用這種方法不需要每次拴接細(xì)線,即可方便地確定不同狀態(tài)下單擺的擺長(zhǎng)。

圖1 改裝后實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 測(cè)量周期

為了減小實(shí)驗(yàn)誤差,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法是,確定周期時(shí)測(cè)出小球做N次全振動(dòng)的時(shí)間t,然后經(jīng)過換算得出周期這種方法的不足之處有以下幾點(diǎn)。

(1)要求小球從平衡位置開始計(jì)時(shí),有時(shí)很難把握平衡位置導(dǎo)致誤差。

(2)每次測(cè)量都要用眼睛盯著小球并要數(shù)全振動(dòng)次數(shù),容易使眼睛疲勞,稍有疏忽就會(huì)出錯(cuò)。

針對(duì)上述問題,如果在實(shí)驗(yàn)裝置中安裝光電計(jì)數(shù)傳感器,小球擺動(dòng)過程中每經(jīng)過一次平衡位置,計(jì)數(shù)器就開始記數(shù),從計(jì)數(shù)“1”開始計(jì)時(shí),只需要記下計(jì)數(shù)器的次數(shù)N和相應(yīng)的時(shí)間t,不需要關(guān)注小球運(yùn)動(dòng)的具體過程,就能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

如圖2所示,將光敏電阻和傳感器一端相連,小燈泡和傳感器另一端相連,并接6V直流電源。小燈泡和光敏電阻正對(duì),當(dāng)小球通過它們之間時(shí),光線被擋住,這樣計(jì)數(shù)器就開始計(jì)數(shù)“1”、當(dāng)小球再次擺回來通過它們之間,計(jì)數(shù)器就計(jì)“2”、這樣就依次按順序計(jì)數(shù)。從計(jì)數(shù)器“1”開始記時(shí)間,當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)“3”時(shí),正好是小球完成一次全振動(dòng)；計(jì)數(shù)器計(jì)“5”時(shí),小球完成第二次全振動(dòng)；計(jì)數(shù)器計(jì)“7”時(shí),是第三次全振動(dòng)……

設(shè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為N,小球全振動(dòng)次數(shù)為n,所用時(shí)間為t,則：

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

小球運(yùn)動(dòng)周期為：

不斷改變擺長(zhǎng)L,每次實(shí)驗(yàn)保持計(jì)數(shù)器N一定,記錄相應(yīng)的時(shí)間t,建立t2-L平面直角坐標(biāo)系,并畫出圖像,確定斜率則重力加速度

3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按圖1所示裝置,將線的一端穿過小鐵球上的小孔并打結(jié)固定好,線的另一端穿過鐵棒上的小孔固定在鐵架臺(tái)的鐵夾上,做成一個(gè)單擺。

(2)按圖2所示連接好傳感器電路,使小球剛好位于小燈泡、光敏電阻之間,并在同一直線上,保證小燈泡發(fā)出的光被小球擋住。

(3)用米尺量出擺線的長(zhǎng)度l,用游標(biāo)卡尺測(cè)出擺球的直徑d,計(jì)算出擺長(zhǎng)

(4)接通電源,讓擺球擺動(dòng)(擺角小于10°),當(dāng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)“1”時(shí),用秒表開始記時(shí),計(jì)數(shù)器顯示N＝61時(shí),停止記時(shí),記下所用的時(shí)間t。

(5)在鐵架臺(tái)上逐漸下移鐵棒到某一位置固定,并測(cè)出鐵棒與鐵夾之間的距離OO′為L(zhǎng)′,則此時(shí)擺長(zhǎng)為L(zhǎng)＝L0-L′,重復(fù)步驟4,記下相應(yīng)的時(shí)間t,相關(guān)記錄見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

(6)以L為橫坐標(biāo),t2為縱坐標(biāo),建立平面直角坐標(biāo)系,用描點(diǎn)法描出相應(yīng)的點(diǎn),用平滑的曲線連接作出t2-L圖像,如圖3所示。從圖像中確定斜率103,重力加速度

圖3 t2-L圖像

4 教學(xué)評(píng)價(jià)

4.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)評(píng)價(jià)

此實(shí)驗(yàn)的改進(jìn),把教材原有的實(shí)驗(yàn)器材與傳感器相連接,打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“思維慣性”,有效地突破了教學(xué)難點(diǎn),同時(shí)體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的“實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新”理念,培養(yǎng)學(xué)生的思維能力,促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的可持續(xù)發(fā)展。

4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)

為了體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的教學(xué)效果,筆者把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)對(duì)兩個(gè)同檔次的班級(jí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)嘗試,把這兩個(gè)班級(jí)分別命名為“常規(guī)班”和“實(shí)驗(yàn)班”,并全程跟蹤。實(shí)驗(yàn)后要求每個(gè)小組寫實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)并要求兩個(gè)班級(jí)進(jìn)行對(duì)比交流。筆者設(shè)計(jì)了問卷,從實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程等方面進(jìn)行調(diào)查。在問卷調(diào)查中明顯反映出,無論表中的哪項(xiàng)內(nèi)容“實(shí)驗(yàn)班”的滿意度明顯高于“常規(guī)班”。通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新,能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,幫助學(xué)生更好地理解消化所學(xué)知識(shí),突顯了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的重要作用。