丰富多彩的“单摆实验”

李世纪

摘要：物理是高中阶段的重要学科，学好物理不仅能提高高考成绩，还能提高我们的逻辑思考能力和动手实践能力。但是物理作为理科知识，所学内容往往比较抽象，学习起来难度较大，需要细心钻研，勤奋实验才能有所收获，这给同学们带来不少困扰。实际上物理是一门很有趣的学问，如果能潜心学习就能发现枯燥知识背后的趣味，感受物理律动的美感。

关键词：单摆实验 单摆装置 高中物理

物理是一门兼具理论与实验的学科，高中三年有我们从无数实验中领悟物理知识的真谛，激发了我们的动手能力和理性思考能力。单摆实验是高中物理教育中的重要实验之一，它的基本内容为用重量可忽视的细线吊起一质量为m的重锤，使其左右摆动，当摆角为0度时，重锤所受合外力大小等于小球本身的重力，通过该实验我们能了解关于重力加速度和单摆振动周期的相关知识，笔者结合自己的学习经验认为该问题可以从以下几个方面分析。

一、单摆装置的基本概述

单摆装置是一个简易的物理实验，实验工具包括单摆、米尺、停表（或数字毫秒计）、游标卡尺，将这些工具组合起来就能进行单摆实验了。经过实验我们知道单摆装置会出现六种实验表征分别是振动、摆动、碰撞、转动、下垂、下落（如图一），这六種属性在高中物理教育中均有重要意义，实验步骤简单易操作，深受老师与同学们的喜爱，本文选取最实用的三种属性进行分析，阐述单摆装置在高中物理实验中的的开发和应用。

二、振动属性的开发和应用

振动是单摆实验最被引用的属性，因为通过单摆实验的论证可以探究物体振动的规律，进而利用这些规律和已知条件计算物理的重力加速度、单摆装置的振动周期以及振动频率等。

（一）重力加速度与身高实验

重力加速度与身高实验可以利用单摆周期公式测量计算，首先安装单摆装置，然后利用计时器记录单摆周期，设单摆长度为x，这时锤的线的加速度受单摆长度变化而变化，所以单摆角加速度就能求得，也就是说振动的角加速度和角位移成比例，式中的负号表示角加速度和角位移的方向总是相反。此时单摆的振动是简谐振动。从理论分析得知，其振动周期和上述比例系数的关系是一定的。然后利用公式就可计算出该单摆的重力加速度。身高实验就更容易了，将同学的身高定为摆长，然后重复上述经过就能计算出同学的重力加速度。

（二）单摆振动周期的影响因素

单摆振动周期与摆长有关，可以做分组对照实验，比如将摆长分别定为10m、6m、3m，感受不同跨度单摆振动周期的差异。当摆长达10m时，我们将它放置在教学楼最高层，从窗边进行实验，它单摆的周期大约在6、7s左右，经过反复实验发现摆长大小与振动周期是分不开的，同时大铁球质量影响振幅如果利用磁铁就能改变回力大小，这对我们学习单摆振动周期有很大帮助。

三、摆动属性的开发和应用

振动实验与摆动实验往往容易让人混淆，通过咨询老师笔者发现振动实验侧重于单摆的反复多次摆动的规律，而这里提到的摆动属性更侧重于‘某次摆动的状况，也就是说探究什么情况下单摆装置会发生摆动现象，如果摆动它将向前还是向后，摆动过程中势能与动能的变化大小如何。根据该问题我们可以探究物体的能量守恒问题和惯性问题。

（一）惯性实验

印证惯性实验，就要把简单的单摆装置转化成单摆小车，当小车从静止状态向加速过渡时，车上的单摆必然后向后摆动。而当小车在匀速运动中突然被截停，车上的单摆会向前摆动，这就说明了惯性现象。

（二）能量守恒

首先将单摆小车放在光滑的玻璃平面上，然后让摆球移动，这时我们会发现单摆小车也随着摆球的移动向相反的方向变化，这是能量守恒中的动量守恒现象。如果使用普通单摆装置，将单摆从一侧的最高点a摆到另一侧的最高点b，拿着两侧的最高点应该是等高的，这证明了物体的机械能量守恒。值得一提的是，老师在课堂上让我们把单摆的铁球从鼻尖的位置释放，当铁球摆动回来并不会再次碰触鼻尖，也说明了这个结论。

四、下落属性的开发和应用

将单摆装置静置不动时，单摆会自然下垂，我们剪短连接铁块的细线，摆球会出现自然下落现象，这一属性可以帮助我们掌握物体的重力加速度、印证小球惯性、演示动能和势能的相互转化等。

五、结语

总之，单摆装置带来的实验和理论是丰富多彩的，通过单摆实验我们会惊喜的发现一个如此简易的装置就能涉及这么多物理知识，在不断振动、碰撞、下落的过程中我们体验了物理的乐趣，感受了物理知识的博大精深，作为一名高中生要不断发现身边的物理现象，让实验变得更有趣、充分发挥物理的魅力。