用单摆测重力加速度实验的改进

陕西省绥德县第一中学(718000) 苏 宏

1 创新思路

1.1 测量摆长

为了减小误差,要不断改变摆长。由于摆线比较长,每次测量还要改变悬点,操作很不方便。鉴于此,笔者尝试将一个带有小孔的铁棒固定在铁架台上,让细线穿过小孔,那么,小球摆动时这个小孔就相当于悬点,小球球心到小孔的距离就是摆长。实验时移动铁架台上的铁棒,小孔也跟着移动,摆长也随之改变。如图1所示,设悬点O离球心距离为L0,小孔O′与O点距离为L′,则摆长L＝L0-L′。用这种方法不需要每次拴接细线,即可方便地确定不同状态下单摆的摆长。

图1 改装后实验装置

1.2 测量周期

为了减小实验误差,传统实验的方法是,确定周期时测出小球做N次全振动的时间t,然后经过换算得出周期这种方法的不足之处有以下几点。

(1)要求小球从平衡位置开始计时,有时很难把握平衡位置导致误差。

(2)每次测量都要用眼睛盯着小球并要数全振动次数,容易使眼睛疲劳,稍有疏忽就会出错。

针对上述问题,如果在实验装置中安装光电计数传感器,小球摆动过程中每经过一次平衡位置,计数器就开始记数,从计数“1”开始计时,只需要记下计数器的次数N和相应的时间t,不需要关注小球运动的具体过程,就能达到实验目的。

2 创新设计方案

如图2所示,将光敏电阻和传感器一端相连,小灯泡和传感器另一端相连,并接6V直流电源。小灯泡和光敏电阻正对,当小球通过它们之间时,光线被挡住,这样计数器就开始计数“1”、当小球再次摆回来通过它们之间,计数器就计“2”、这样就依次按顺序计数。从计数器“1”开始记时间,当计数器计数“3”时,正好是小球完成一次全振动；计数器计“5”时,小球完成第二次全振动；计数器计“7”时,是第三次全振动……

设计数器计数为N,小球全振动次数为n,所用时间为t,则：

图2 实验装置

小球运动周期为：

不断改变摆长L,每次实验保持计数器N一定,记录相应的时间t,建立t2-L平面直角坐标系,并画出图像,确定斜率则重力加速度

3 实验步骤

(1)按图1所示装置,将线的一端穿过小铁球上的小孔并打结固定好,线的另一端穿过铁棒上的小孔固定在铁架台的铁夹上,做成一个单摆。

(2)按图2所示连接好传感器电路,使小球刚好位于小灯泡、光敏电阻之间,并在同一直线上,保证小灯泡发出的光被小球挡住。

(3)用米尺量出摆线的长度l,用游标卡尺测出摆球的直径d,计算出摆长

(4)接通电源,让摆球摆动(摆角小于10°),当计数器开始计“1”时,用秒表开始记时,计数器显示N＝61时,停止记时,记下所用的时间t。

(5)在铁架台上逐渐下移铁棒到某一位置固定,并测出铁棒与铁夹之间的距离OO′为L′,则此时摆长为L＝L0-L′,重复步骤4,记下相应的时间t,相关记录见表1。

表1 实验数据记录

(6)以L为横坐标,t2为纵坐标,建立平面直角坐标系,用描点法描出相应的点,用平滑的曲线连接作出t2-L图像,如图3所示。从图像中确定斜率103,重力加速度

图3 t2-L图像

4 教学评价

4.1 实验教学改进评价

此实验的改进,把教材原有的实验器材与传感器相连接,打破了传统实验教学的“思维惯性”,有效地突破了教学难点,同时体现了物理学科核心素养中的“实验创新”理念,培养学生的思维能力,促进了实验教学改革的可持续发展。

4.2 实验教学效果评价

为了体验实验改进后的教学效果,笔者把传统实验和改进后的实验对两个同档次的班级进行实验尝试,把这两个班级分别命名为“常规班”和“实验班”,并全程跟踪。实验后要求每个小组写实验心得体会并要求两个班级进行对比交流。笔者设计了问卷,从实验装置、实验原理、实验过程等方面进行调查。在问卷调查中明显反映出,无论表中的哪项内容“实验班”的满意度明显高于“常规班”。通过实验创新,能激发学生的学习兴趣,帮助学生更好地理解消化所学知识,突显了实验改进的重要作用。