單擺實驗的探究

洪維貞，傅求寶，邢海根

(1.廬江中學實驗初中，安徽 廬江 231500；2.廬江縣教體局教研室，安徽 廬江 231500)

教材上“探究擺的奧秘”實驗采取在鐵架臺上固定擺球，分別改變擺重、擺長、擺角，通過控制變量法來進行實驗，采用擺動20次、30次來計時，收集數據，分析得出結論. 實際上是設置了探究擺的周期的最捷徑方案，不符合探究擺的周期的真實過程[1].

1 制作“準單擺”

實驗器材：4個乒乓球(其中3個有開孔)、水、砂、粉、剪刀、裁紙刀、502膠水、細線等.

在3個開有個小孔的乒乓球內分別裝滿水、粉和砂. 再把另一個乒乓球剪開，剪下3個比小孔稍大的小塊，在每個小塊的凹表面均勻地涂上502膠水，把細線的一端放在涂過膠水的表面，最后把這3個小塊緊壓在小孔上將小孔堵住，便制成“準單擺”.

將2個裝有同種物質、擺線長度相同的乒乓球拉至鐵架臺豎桿不同的距離，自由釋放，觀察哪個乒乓球先到達平衡位置研究擺角對擺的周期的影響；取擺線長度不同裝有同種物質的乒乓球，拉到相同擺角的位置同時自由釋放，觀察哪個乒乓球先到達平衡位置，比較擺線長短對擺周期的影響. 取擺線長度相同質量不同的2個乒乓球，拉到相同擺角的位置同時自由釋放，觀察哪個乒乓球先到達平衡位置，便可比較擺的質量對擺周期的影響.

2 實驗探究

2.1 擺的周期與擺線一端到擺錘中心的距離的關系

如圖1所示，取相同長度的擺線2根，1根下方固定1只乒乓球，另1根下方固定3個乒乓球，分別系在鐵架臺的橫桿的不同位置，都拉到相同的擺角處同時自由釋放，觀察某一乒乓球到達平衡位置的現象.

圖1 探究擺的周期與擺線的一端到擺錘中心的距離

顯然，擺線長度相同，但擺的周期不同，可得出擺的周期與擺線的一端到擺錘中心的距離大小有關[2].

2.2 擺的周期與擺線一端到擺錘重心的距離的關系

如圖2所示，取2個相同長度的擺線，在擺線下端連續掛2個分別裝滿砂與裝滿水的乒乓球，只不過兩球的上下位置相反. 將它們分別掛在鐵架臺的橫桿上，拉到相同擺角，同時自由釋放，觀察某乒乓球到達平衡位置的情況[3].

圖2 探究擺的周期與擺線一端到擺錘重心的距離的關系

發現2個球中上方裝滿砂的先擺到平衡位置，而這2個擺的擺線一端到擺錘的中心距離相同，說明上述結論不正確，原來擺的周期由擺線的一端到擺錘的重心的距離決定. 物理學上把擺線的一端到擺錘重心的距離叫擺長,擺的周期是由擺長決定，擺長越大，擺的周期就越大[4].

2.3 影響擺的周期的次要因素

如圖3所示，取擺長相同，1個擺錘為裝有砂的乒乓球，1個擺錘為小鋼球，調節乒乓球內砂的多少，使2個球的質量相同，將它們并列懸掛在鐵架臺的橫桿上，拉到同一擺角，同時自由釋放，觀察某個擺錘到達平衡位置的情況.

發現小鋼球的單擺擺得快，先到達平衡位置. 表面上是擺錘大小不同，但擺在運動時，由于擺錘大小不同，受到空氣阻力不同，實驗說明擺的周期可能受擺錘大小影響，也可能受空氣阻力影響[5].

圖3 探究不同材質的小球對單擺周期的影響

2.4 擺的周期與空氣阻力的關系

在鐘罩內固定一橫桿，取擺長相同，1個擺錘為裝有砂的乒乓球，1個擺錘為小鋼球，調節乒乓球內砂的多少，使2個球的質量相同，將它們并列懸掛在鐘罩內的橫桿上，拉到同一擺角，如圖4所示，將2球同時自由釋放，并用抽氣機抽氣，一段時間后，觀察到2球擺動時每次都同時到達豎直位置，如圖5所示.

圖4 有空氣時擺球擺動 圖5 抽氣后擺球擺動

分析實驗現象可知，在不受空氣阻力時，擺錘大小不同，擺的周期相同，說明擺的周期與擺錘的大小無關，與受空氣阻力大小有關.

2.5 探究擺的周期與擺長的定量關系

取幾個配有細線小鋼球，利用刻度尺制成不同擺長的單擺，分別固定在鐵架臺上，將擺拉到約小于5°處自由釋放，當鋼球到達平衡位置時，用秒表計時，測量30個周期t，數據如表1所示，擺的周期與擺長的平方根成正比關系如圖6所示.

表1 實驗數據

圖6 擺的周期與擺長的平方根的關系

3 建立單擺理想模型

4 結束語

在探究教學中，應從人類認知事物的規律出發，經過探究與再探究的過程，使學生的感性認識與理性認識以螺旋式上升. 核心素養視域下的科學探究，包含物理觀念的建立、科學思維培養與科學態度及社會責任的形成；要強調認證、質疑、創新，講究實事求是，不迷信權威，保護環境、節約資源等素養的形成. 在科學探究的教學中，教師根據教材重新開發課程資源，這不僅能提高學生的學習興趣，而且能通過激發學生的創新意識，在實際操作中來培養學生的操作能力. 在實驗中教師要以一絲不茍的科學態度來引導，用發明創新方法來解決教學中的需要，培養學生的科學態度與責任感.