模擬經典實驗 培育學生核心素養——自制“微型傅科擺” 驗證地球自轉現象

韓興乾 喻梅琴

(1. 寧夏六盤山高級中學，寧夏 銀川 750002； 2. 銀川市第六中學，寧夏 銀川 750002)

1 引言

許多經典物理實驗能夠利用簡單的實驗裝置,揭示現象中蘊含的物理本質,并驗證抽象的物理規律,測量且確定重要的物理參數．大多數經典物理實驗所具有的巧妙的實驗構思,簡潔的實驗裝置,明顯直觀的實驗現象無不顯示物理學家所具有的的嚴謹的科學思維和精湛的科學實驗探究能力．因此通過學習經典實驗的實驗設計原理,經歷實驗操作過程,重現實驗現象,得出實驗結論等環節,在培育學生的物理學科素養方面會起到重要的作用．

許多經典的物理實驗,雖然結構簡單,現象明顯,但由于受客觀條件限制,常規教學活動中不容易模仿,如盧瑟福的α粒子散射實驗、卡文迪許的扭秤實驗等．而“用傅科擺驗證地球自轉現象”的實驗卻可以通過對常規實驗儀器的改進,重現原有的實驗現象,驗證相關的實驗結論．筆者與學生一起反復分析研究,試驗比較,終于制作出了常規條件下的“傅科擺”,得到了較為明顯的實驗現象,真實地驗證了地球的自轉現象．通過引導學生經歷“微型傅科擺”實驗裝置制作過程,親眼目睹運用自制“微型傅科擺”實驗裝置驗證地球自轉現象,不但極大的激發了學生學習物理的興趣,更重要的是進一步培養并提升了學生在物理觀念、科學思維、科學探究、科學價值和社會責任等方面的物理學科核心素養．

2 制作“微型傅科擺”,探究地球自轉現象

2.1 提出問題,分析實驗原理

筆者在進行人教版教材選修3-4第11章第4節“單擺”的教學活動中,發現許多學生對課本中一幅關于法國物理學家萊昂·傅科利用單擺驗證地球自轉實驗的插圖(如圖1)產生了濃厚的興趣．同學們關注的焦點問題主要有兩個：一是用單擺證明地球自轉的實驗原理是什么;二是是否能用實驗室的單擺重復傅科擺的實驗．學生的滿腔熱情和充滿求知欲的眼神,促使筆者對傅科擺的相關問題進行了全面深入的研究．通過查閱資料,整理思維,選擇了較為簡便的科學理論方法,借助現有的器材,耐心地給學生講解了利用單擺驗證地球自轉現象的實驗原理．

圖1

為了讓學生理解“傅科擺”實驗原理,筆者首先利用學生實驗用的單擺,演示并講解了單擺的擺球由于慣性會保持原有的擺動方向不變．如圖2為學生實驗用單擺,剛開始讓擺線在一個確定的豎直平面內擺動(即擺線擺動平面與豎直參考面平行),在擺球擺動過程中 保持懸點位置不動而轉動鐵架臺,通過學生的觀察比較,發現單擺的擺動平面并沒有隨之變化,還保持著擺線的擺動平面與原來豎直參考面平行,如圖3所示．接下來再利用地球儀揭示了由于地球的自轉,引起單擺擺線擺動平面相對地面的轉動．如圖4所示,用紅線表示地球表面上的一條經線,小旗的豎直旗面表示單擺的擺線擺動平面．如果單擺擺線擺動平面方向保持不變,則地球自轉一段時間后,單擺擺線擺動平面相對地面會發生一定的轉動,如圖5所示．若以單擺擺線的擺動平面為參考面,顯然是地面發生了轉動．通過講解分析,演示觀察,使學生理解了利用單擺驗證地球自轉的實驗原理及使用的實驗方法．

圖2 圖3

圖4 圖5

2.2 初步常規模擬,確定實驗方案

2.2.1 初步探究,發現問題

在了解了運用傅科擺研究地球自轉現象的實驗原理后,有學生提出:能否運用常見的單擺進行傅科擺的實驗現象的模擬,真實有效的驗證地球的自轉現象呢?面對學生不舍的研究精神,筆者決定帶領學生進行相關實驗研究,實現經典實驗再現,親自驗證地球的自轉現象．于是組織部分學生成立了驗證地球自轉現象的實驗研究小組,引導他們自己動手設計實驗方案,安裝調試實驗裝置,各自進行試驗驗證．幾天后,各研究小組都遇到了各種各樣的困難,沒有得到明顯的實驗現象．通過匯總整理,逐步明確學生的探究實驗主要存在以下幾個方面的問題: (1) 實際單擺擺幅衰減很快,持續擺動時間較短; (2) 擺球運動不規范,很容易出現擾動; (3) 實驗現象不明顯,幾乎觀察不到擺球擺動平面相對地面的轉動情況等等．

2.2.2 分析比較,改進方案

針對前期實驗研究過程中發現的問題,筆者引導學生查閱有關傅科擺的文獻資料,將學生實驗用的單擺和傅科擺進行全面的對比,找出它們的不同之處,進一步分析這些差別對實驗效果的影響．

很快學生就找到了自己實驗中的單擺和傅科擺在結構上的幾個明顯差別: (1) 擺長不一樣,學生實驗用的單擺擺長1 m左右,傅科擺的擺長可達到10 m; (2) 擺球質量差別很大,學生實驗用的擺球質量為 0.03 kg左右,而傅科擺的擺球質量可達幾十kg; (3) 懸點的固定方式不同,學生實驗是將擺線直接系在鐵架臺的橫梁上,而傅科擺的懸點有特定的固定方式,不會使得擺線在擺動中受到懸點的扭轉力而改變擺動平面; (4) 實驗啟動方式不同,學生實驗通常是用手將單擺拉開一定的擺角,由靜止釋放,而傅科擺是用細線系住擺線末端拉開一定擺角并固定細線,待擺球靜止后燒斷細繩,釋放擺球．

通過進一步比較分析,最終搞清楚了傅科擺的“與眾不同”并不是嘩眾取寵、吸人眼球的故意造作,而是為了取得清晰的實驗觀察現象的必然要求．比如擺長的增長可以增加擺球的擺動周期,從而使得觀察者有較為充足的時間觀察擺動平面的轉動情況;大質量的擺球慣性大,不容易受外界干擾,同時會增加擺球的最大機械能,減小阻力帶來能量損失的影響,延長擺球的擺動時間;巧妙的實驗啟動方式可以避免釋放時手對擺球運動的影響,從而保證擺球在同一個豎直平面擺動．

通過以上的比較分析,學生弄清楚自己實驗不成功的原因．于是決定通過對常規實驗裝置進行改進,利用現有空間場地,最大限度的增加擺長和擺球質量,改進懸點的固定方式,模擬傅科擺實驗,再次進行真實有效地驗證地球自轉現象．

2.3 改進實驗裝置,再現經典實驗

2.3.1 制作裝置,安裝調試

通過對現有的器材整理和取舍,我們選擇在教室的天花板上安裝固定裝置,制作成一個擺長約為2.6 m的“微型傅科擺”．用常用的鉛錘線圓錐形狀金屬吊錘代替擺球(如圖6),加以適當的配重增加慣性和擺動的平衡性,擺錘的總質量可達到2 kg左右．擺線選用結實耐用,質量較小的細繩．擺線懸點盡量采用對擺繩的擺動平面影響較小的固定方式(如圖7)．采用傅科先生“燒細繩”的方式(如圖8)啟動實驗．為了更加直觀明顯地顯示擺球擺動平面相對地面的轉動,采用“圖線對比法”,將一張白紙固定在靜止的擺球正下方,在白紙上過擺球正下方的點,沿南北方向畫一條標識線,其它幾條直線作單擺擺線擺動平面轉動的參考線,幾條直線的交點置于擺錘靜止時的正下方(如圖9)．通過前期試驗對比,發現讓單擺沿著南北方向開始擺動,實驗現象比較明顯．

圖6

圖8

圖9

2.3.2 經典再現,實證地球自轉

通過反復調試,由師生親手制作的一個“微型傅科擺”終于“誕生”了．這個單擺雖然連續擺動的時間有限,擺動幅度衰減的較快,但在前期穩定擺動的約一小時內,還是可以明顯地觀察到擺線擺動平面相對地面的轉動情況,取得了預期的實驗效果．為了觀察并記錄這一“漫長”實驗現象的漸變過程,筆者對“微型傅科擺”的擺動全程進行了視頻錄像記錄,經過后期編輯處理,可以使大家在較短的時間內,通過視頻快進和暫停功能,更加便捷清晰的觀察到不同時間段內擺線擺動平面相對地面的轉動情況,從而對實驗過程和實驗現象有了一個更加清晰的認識．圖10和圖11為實驗開始時擺錘沿著南北方向擺動的情況,圖12和圖13反映了經過30 min左右擺錘的擺動情況,與初始運動情況相比,擺線的擺動平面相對地面發生了明顯轉動．圖14和圖15反映了經過1 h左右擺錘的擺動情況,與初始運動情況相比,擺線的擺動平面相對地面發生了更為明顯的轉動．

圖10

圖11

圖12

圖13

圖14

圖15

研究小組的同學把錄制的實驗過程視頻給全班同學進行了播放展示,結合實驗裝置給他們講解了如何利用單擺研究地球自轉現象的,幫助大家進一步確立了正確的宇宙星球運行的物理觀念．同學們的贊嘆更加提升了研究小組成員的成就感和自豪感,在他們的心中

播下了收獲希望的種子,為他們以后積極投入科學研究奠定了堅實的精神基礎．

2.4 明確研究意義,培育核心素養

在“微型傅科擺”的制作過程中,我們在追求實驗現象明顯,實驗結論準確的同時,更重要的是積極引導學生理解萊昂·傅科利用單擺研究地球自轉現象實驗的重要歷史意義,學習并感悟該實驗所運用的科學研究方法．同時引導學生親歷實驗研究的全部過程,進一步培養學生多方面的物理核心素養,為學生的全面發展打下堅實的基礎．

通過學習總結,學生進一步理解了萊昂·傅科利用單擺驗證地球自轉現象實驗的非凡意義,知道傅科擺實驗是世界科學發展史上具有里程碑意義的事件．傅科利用最簡單的實驗裝置,最巧妙的實驗原理,間接的推證了地球“在自轉”這一客觀事實,突破了人類“不識廬山真面目”的認知局限性,開辟了人類認識宇宙世界的新紀元．萊昂·傅科運用極為簡單的裝置,揭示復雜抽象的自然現象規律的實驗研究方法,被以后的許多科學家所推崇和借鑒,已成為物理典型實驗方法中一顆璀璨耀眼的明珠,熠熠生輝,永不凋零．

通過經歷對傅科擺原理的分析討論,對“微型傅科擺”實驗裝置的制作調試,對實驗現象的觀察,實驗結果的分析論證,使得參與實驗研究活動的學生進一步確立了科學的宇宙觀念,提升了他們比較分析,解決實際問題的物理科學思維能力和多方面的科學探究能力,引導并幫助他們樹立了不輕信盲從,科學嚴謹的態度和責任．通過展示實驗過程和實驗結果,使學生再一次體會到通過不懈努力獲得最終成功的喜悅,激發學生熱愛科學,獻身科學的責任感．