影響擺擺動快慢的因素實驗創新

山東省淄博市淄川區雁陽小學 鄧云峰 白先鋒

在小學階段，如何研究影響擺擺動快慢的因素呢？方法有三種：一是在擺幅和擺繩長度不變的情況下改變擺錘質量；二是在擺錘質量和擺繩長度不變的情況下改變擺幅；三是在擺錘質量和擺幅不變的情況下改變擺繩的長度。

以往，教師使用的教具不夠科學，操作不夠嚴謹，實驗易出現誤差。因此，我們結合STEAM 教育理念對實驗進行改進。

一、改進方案

實驗器材

兩個大小不同的單擺擺錘、半圓形空白木板、支架、擺繩

裝置制作

1.3D 打印兩個大小不同的中空擺錘（球形），在擺錘中間各安裝一枚強力磁鐵（如圖1）。

圖1

2.用半圓形空白木板制作中間刻度為0°，由中間往兩邊逐步增加度數的倒置量角器，分別在15°、30°、45°處標記刻度并留好插孔。

3.測量擺繩長度，在擺錘重心與支架相切處標記長度。例如擺繩端點到擺錘重心的長度為20 cm，將擺錘靠在支架上，在擺錘重心與支架相切處標記20 cm（如圖2）。

圖2

二、操作過程

實驗一：在擺幅和擺繩長度不變的情況下改變擺錘質量

1.準備擺幅為15°的單擺，擺繩長度為30 cm。

2.利用秒表測量該擺在10 秒內擺動的次數并記錄。

3.在擺幅和擺繩長度不變的情況下，將中空球形小擺錘吸附在原擺錘上，測量其在10 秒內擺動的次數并記錄。

4.在擺幅和擺繩長度不變的情況下，將中空球形大擺錘吸附在原擺錘上，測量其在10 秒內擺動的次數并記錄。

5.比較數據，得出實驗結論。

以往的實驗通過直接掛鉤碼或用橡皮泥包裹原擺錘的方式增加擺錘質量，這樣會使擺錘重心改變、擺繩長度變化（如圖3），導致實驗出現誤差。將中空球形擺錘吸附在原擺錘上，很好地利用了磁鐵的磁性（如圖4），提高了實驗的精確度，節省了學生操作的時間。

圖3

圖4

實驗二：在擺錘質量和擺繩長度不變的情況下改變擺幅

1.準備好單擺，擺錘為原擺錘，擺繩長度為30 cm。

2.將擺繩拉至倒置量角器15°刻度處，利用秒表測量該擺在10秒內擺動的次數并記錄。

3.在擺錘質量和擺繩長度不變的情況下，將擺繩拉至倒置量角器30°刻度處，測量該擺在10 秒內擺動的次數并記錄。

4.在擺錘質量和擺繩長度不變的情況下，將擺繩拉至倒置量角器45°刻度處，測量該擺在10 秒內擺動的次數并記錄。

5.比較數據，得出實驗結論。

在以往的實驗過程中，學生無法準確控制擺幅（如圖5）。在改進后的實驗中，學生使用帶有刻度的倒置量角器（如圖6），便于控制擺幅，實驗操作更嚴謹。

圖5

圖6

實驗三：在擺錘質量和擺幅不變的情況下改變擺繩的長度

1.準備好單擺，擺錘為原擺錘，擺幅為15°。

2.將擺繩調至支架40 cm 處，利用秒表測量該擺在10 秒內擺動的次數并記錄。

3.在擺錘質量和擺幅不變的情況下，將擺繩調至支架30 cm 處，然后測量該擺在10 秒內擺動的次數并記錄。

4.在擺錘質量和擺幅不變的情況下，將擺繩調至20 cm 處，然后測量該擺在10 秒內擺動的次數并記錄。

5.比較數據，得出實驗結論。

在以往的實驗中，是將擺繩對折或直接測量擺繩的長度（如圖7），在改進后的實驗中，利用支架刻度間接測量擺繩長度（如圖8），降低了測量的難度，節省了測量時間，使實驗更簡單。

圖7

圖8

注意：為保證實驗數據的準確性，實驗中所有的數據需經三次以上測量后取全部數據的平均值。

三、創新點

方便高效。3D 打印的中空擺錘能快速改變擺錘質量，提高實驗效率。

準確無誤。倒置量角器和標有刻度的支架使擺幅和擺繩的測量更加精準，實驗更加科學嚴謹。