基于仿真實驗平臺單擺測重力加速度研究

王瑞雪

（廣漢市金雁中學(xué) 四川·德陽 618300）

0 前言

在中學(xué)物理的教學(xué)過程中，物理實驗教學(xué)有著舉足輕重的作用。但傳統(tǒng)的演示實驗教學(xué)問題頗多，如實驗儀器較為陳舊，實驗現(xiàn)象不清晰難以觀察，實驗數(shù)據(jù)分析困難以及教學(xué)課時緊張等。為了解決這諸多問題，部分教師會采用減少課堂實驗演示時間的方式來應(yīng)對此等情況，而這就使得原本就十分有限的課堂實驗實踐環(huán)節(jié)變得更加稀少，學(xué)生實驗?zāi)芰σ矝]有得到充分培養(yǎng)，而這也直接導(dǎo)致學(xué)生普遍反應(yīng)物理課堂較為抽象并難以理解。因此探索研究更加高效的課堂演示實驗方法才能有效解決諸多問題。因此仿真實驗應(yīng)運而生，通過設(shè)計虛擬儀器，建立虛擬實驗環(huán)境即是仿真實驗。利用仿真實驗平臺進(jìn)行物理實驗教學(xué)，可使得教學(xué)形象逼真，解決上述傳統(tǒng)實驗中實驗現(xiàn)象不清晰等諸多問題。學(xué)生可以通過仿真實驗平臺擬定實驗參數(shù)、操作仿真實驗儀器，從而達(dá)到學(xué)生能夠通過該平臺模擬真實的實驗過程，進(jìn)行整個實驗過程。在仿真實驗平臺當(dāng)中學(xué)生能夠選擇和組合平臺所提供的相關(guān)實驗設(shè)備，甚至可以自主利用平臺進(jìn)行實驗的設(shè)計。在仿真實驗平臺中也能夠反應(yīng)教學(xué)思想，學(xué)生的實驗操作必須建立在其理解和思考的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行，有效杜絕了部分學(xué)生可能在實驗中出現(xiàn)的盲目操作等現(xiàn)象，提高了物理實驗教學(xué)的質(zhì)量。本文基于仿真實驗平臺研究單擺測重力加速度這一高中物理力學(xué)實驗，從而分析利用仿真實驗平臺進(jìn)行物理實驗教學(xué)的可行性和高效性。

1 單擺測重力加速度基本原理

單擺即用一條可以忽略微小形變和質(zhì)量的細(xì)線一端拴一個小球，另一端固定在懸點上，且保證線長又比球的直徑大得多的裝置。單擺周期T即從平衡位置出發(fā)再次回到平衡位置且運動狀態(tài)相同所花時間。單擺做簡諧運動的振動周期跟擺長的平方根成正比，跟重力加速度的平方根成反比，與振幅和擺球的質(zhì)量無關(guān)。單擺的周期公式為：

根據(jù)公式測出相關(guān)物理量即可測得重力加速度。

2 基于仿真實驗平臺利用單擺測重力加速度

利用仿真實驗平臺進(jìn)行單擺測重力加速度實驗在：

2.1 實驗裝置

本文用到的實驗裝置主要是仿真實驗平臺，其中仿真實驗器材主要有帶有量角器的單擺儀，米尺，螺旋測微器，電子秒表等。實驗裝置如下圖1所示：

圖1：單擺仿真實驗平臺

2.2 實驗內(nèi)容

2.2.1 實驗準(zhǔn)備

根據(jù)實驗原理選擇相應(yīng)的實驗器材，將需要用到的儀器從儀器欄中拖到桌面上來。利用鼠標(biāo)雙擊使用的實驗儀器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.2 測量記錄實驗所需物理量

調(diào)節(jié)擺線長度，雙擊米尺打開米尺測量窗口，雙擊單擺打開單擺窗口。按住單擺窗口中擺線末端的旋鈕調(diào)節(jié)擺線長度，在米尺窗口中讀出擺線長度。如下圖2所示。

圖2 測量擺線長度

圖3 測量擺球直徑

圖4 記錄擺動周期

測量擺球直徑，雙擊打開螺旋測微器窗口，點擊開始測量按鈕，將小球拖入進(jìn)行測量。根據(jù)所示數(shù)據(jù)進(jìn)行讀值，多次測量把數(shù)據(jù)記錄到如下表1中。

測量擺動周期，打開單擺窗口以及電子秒表窗口。拖動小球使其偏離平衡位置一定角度，釋放擺球使其做簡諧運動，并且擺球每通過平衡位置一次就進(jìn)行計數(shù)，同時使用秒表測量時間，如下圖4所示。然后將數(shù)據(jù)填入到實驗數(shù)據(jù)表格1中。

表1：測量單擺周期實驗數(shù)據(jù)

2.2.3 處理數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論

分析表格中的數(shù)據(jù)，計算出擺球直徑的平均值，然后利用擺球通過平衡位置的次數(shù)測量出擺動周期數(shù)N，再結(jié)合測量時間NT，計算得到周期T，代入單擺周期公式，計算出重力加速度 g的大小為9.464 m/s2。通過查閱資料得知計算實驗值與理論值基本吻合。

2.2.4 誤差分析

在利用單擺測重力加速度該實驗的學(xué)習(xí)過程中，要求學(xué)生理解體會在該實驗過程中累積放大法的原理和應(yīng)用，在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生分析基本誤差的來源，并且能夠進(jìn)行了解修正或者估算的相關(guān)辦法。由于在實驗過程中人的反應(yīng)時間也會造成一定的實驗誤差，這里以該誤差為例，平臺提供給學(xué)生相關(guān)數(shù)據(jù)，如當(dāng)學(xué)生假定擺長為L=70cm，小球直徑d=2cm，擺動周期T則為1.700s，再結(jié)合千分尺精度0.001cm，秒表精度0.01s，米尺精度0.05cm，以及根據(jù)統(tǒng)計分析得到的實驗人員開始或者暫停秒表反應(yīng)時間約為0.1s左右，學(xué)生可以通過這些數(shù)據(jù)計算出相關(guān)誤差，從而使得實驗更加精確。

3 測試?yán)梅抡鎸嶒炂脚_進(jìn)行單擺測重力加速度實驗有效性

將學(xué)生若干分成實驗組和對照組，實驗組即利用仿真實驗平臺對單擺測重力加速度進(jìn)行實驗，對照組即沒有利用仿真實驗平臺按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行單擺測重力加速度實驗。在課堂開始之前，設(shè)置與單擺測重力加速度實驗相關(guān)的測試題目，進(jìn)而可以了解學(xué)生在還未學(xué)習(xí)之前對該實驗的了解情況。結(jié)果出來以后，將正確率進(jìn)行統(tǒng)并對結(jié)果進(jìn)行分析，該做法可以給該次測試控制不必要的干擾。

隨后進(jìn)行相同時長的課堂教學(xué)，在課堂結(jié)束后，對實驗組和對照組學(xué)生立即進(jìn)行相同題目的測試，在實驗組和對照組完成測試題目后，統(tǒng)計二者題目正確率，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析：分析兩者的正確率，然后對小組對實驗組和對照組學(xué)生進(jìn)行交流，了解學(xué)生對當(dāng)堂課的掌握程度和課堂體驗。時隔兩個星期后，再對學(xué)生進(jìn)行隨堂測試，設(shè)置題目同樣與單擺測重力加速度實驗相關(guān)，統(tǒng)計延遲測試題目的正確率，并對實驗組和對照組延遲測試結(jié)果進(jìn)行分析。最終，通過測試結(jié)果分析得到實驗班正確率與對照班正確率相當(dāng)，實驗組在延遲測試中正確率為83.4%，對照組在延遲測試中正確率為84.4%，說明大部分實驗班的學(xué)生在記憶消退后依然能夠正確解答單擺測重力加速度實驗相關(guān)的測試題目，說明無論是實驗組還是對照組學(xué)生對知識都有一定程度上的消化和理解。結(jié)果分析可得利用仿真實驗平臺進(jìn)行單擺測重力加速度實驗具有有效性。

4 結(jié)論與展望

本文結(jié)合高中物理力學(xué)知識，基于仿真實驗平臺對單擺測重力加速度進(jìn)行研究。初步說明其能夠被有效應(yīng)用到物理實驗教學(xué)當(dāng)中，使得抽象的物理過程形象化，微小微觀的現(xiàn)象直觀精確化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，同時也解決了物理實驗教學(xué)過程中器材有限，實驗現(xiàn)象不清晰，數(shù)據(jù)分析困難等諸多現(xiàn)實問題。我們也可以在課后讓學(xué)生自發(fā)利用仿真實驗平臺進(jìn)行一些探究性實驗，從而改變學(xué)生上物理課才有物理實驗的想法，學(xué)生自己利用仿真實驗平臺完成單擺測量重力加速度等諸多實驗，從而使仿真實驗平臺成為學(xué)生的得力實驗工具，同時也培養(yǎng)了學(xué)生探索精神。

盡管如此，仿真實驗也不能完全替代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，在利用仿真實驗平臺進(jìn)行物理實驗教學(xué)中仍然存在諸多問題：比如如何有效地將實驗原理教學(xué)和仿真實驗器材結(jié)合起來，如何讓學(xué)生在利用仿真實驗平臺完成實驗的同時，也能明白其中原理，而不是單純地按照要求重復(fù)實驗。因此我們期盼也相信在今后，將仿真實驗平臺應(yīng)用于物理實驗及教學(xué)研究的案例將會越來越多，并且取得更進(jìn)一步的發(fā)展。