凸显学生自主探究 培养学科核心素养——以“探究重力加速度对单摆周期的影响”为例

(福建省漳州第一中学，福建 漳州 363000)

1 引言

各种版本的高中物理教材在“单摆”一节中都设计了相关实验，引导学生探究摆球质量、摆角(振幅)、摆长对单摆周期的影响，通过这些实验培养了学生的动手能力，加深了学生对控制变量法的理解，进一步认识到控制变量法的巧妙性与重要性。但遗憾的是，教材中都缺失了探究重力加速度对单摆周期影响的内容。笔者查阅了人教版和鲁科版物理选修3-4教材，在探究完“质量、摆角、摆长对单摆周期的影响”后，通过简单的介绍便引出了单摆周期公式。

教材的这种处理方式常常会引发学生的质疑，在教学过程中，面对学生的质疑，笔者给出了解释，教材之所以没有探究“重力加速度对单摆周期的影响”，是由于重力加速度g值在一定范围内近似为定值，这样的回答一方面让学生明白了“事出有因”，维护了教材的权威，同时又为引导学生设计可行的实验方案埋下伏笔。笔者顺势鼓励、引导学生设计实验方案，探究“重力加速度对单摆周期的影响”。学生在课后进行了多次讨论，通过查阅图书馆资料、调阅网络资源，最终确定了5个探究方案，将学生分为5个小组，分别进行课外自主探究。

2 学生探究过程

2.1 利用海拔高度改变重力加速度

第1小组的实验方案是带上实验器材到漳州市第一高峰大芹山做实验，大芹山海拔1544.8m，学生原计划在大芹山山脚下测一次秒摆周期，利用手机软件“GPS海拔表”实时测定海拔高度，海拔高度每升高200m测一次，到达山顶再测一次，记录9组数据，然后对数据进行分析，得出实验结果。鉴于大芹山离市区路途遥远，登山做实验又具有一定的危险性，为避免学生舟车劳顿、无功而返，笔者提醒学生在出发前务必要做好实验可行性分析。学生们经过理论计算，他们惊讶地发现：原本信心满满的实验方案，实际上无法实现，失望之余，他们又暗自庆幸：如果没有做可行性分析，他们将白忙一场。

表1 海拔高度对单摆周期的影响

由表1可以看出：海拔高度对单摆周期的影响非常小，考虑到测量误差等因素，利用中学现有器材难以进行探究。

2.2 利用纬度改变重力加速度

第2小组的实验方案是准备联络全国(全球)处于不同纬度的网友，在摆长一定(l=1.000m)时测定单摆周期，录制成视频，由于不同纬度重力加速度不同，测定的单摆周期应该不同，通过汇总分析，实现探究“重力加速度对单摆周期影响”的目的。

在学生开展实验前，考虑到联络各地网友的工作量，笔者同样提醒学生做可行性分析(如表2)。

表2 地理纬度对单摆周期的影响

由表2可以看出：纬度对单摆周期的影响也是微不足道的，以秒摆为例，从赤道到南北极，周期变化并不明显，考虑到测量误差等因素，利用中学现有器材也难以实现，第2小组也放弃了实验。

2.3 利用电场等效原理改变“重力加速度”

受文献[3]的启发，第3小组利用烧烤用的锡箔纸制作了简易的平行板电容器，在上极板的正中间剪开一条小缝(如图1)，让摆球能在平行板电容之间做小角度摆动，通过感应起电机让金属摆球带上静电，闭合开关，给平行板电容器充电，观测充电前后单摆周期的变化(如图2)。

图1

图2

但是，实验的结果让学生感到十分意外，单摆周期在平行板电容器充电后并未发生任何变化，重复多次，实验还是以失败告终。学生心有不甘，请教师帮忙分析失败的原因。笔者没有马上给出答案，而是引导他们自主分析，给出了进一步探究方向——“定量分析金属小球在电场中的受力”。

2.4 利用超重、失重，改变“重力加速度”

第4小组的实验方案是利用超重、失重效应改变重力加速度，当电梯获得竖直向上的加速度a时，等效重力加速度g′=g+a，将观察到单摆周期变小；当电梯获得竖直向下的加速度a时，等效重力加速度g′=g-a，将观察到单摆周期变大。

表3 利用超重失重等效改变g值

在学校实验楼(7层建筑)内的电梯里进行实验，电梯最大速度约2m/s，电梯加速、减速时间较短，为此，实验小组特地缩短了摆长，减小单摆周期，尽可能保证整个测量周期内电梯都处于加速或减速状态。实验结果表明：单摆周期与重力加速度有关，等效重力加速度增大，周期减小，等效重力加速度减小，周期增大。

2.5 利用磁场改变“重力加速度”

第5小组的实验方案是利用磁铁对铁质单摆小球的吸引力，等效增大“重力加速度”，对于同一单摆，在小铁球正下方放置磁铁后，单摆周期将减小。为了尽可能构造匀强磁场，实验小组将6根条形磁铁并在一起放置在小球正下方，实验过程中小球尽可能靠近磁铁，实验小组在探究过程中观察到某一摆长的单摆，在小球下方未放置磁铁时，周期T=1.87s；放置磁铁后，周期减小为1.62s，周期明显减小，实验证明：当等效重力加速度增大时，单摆周期减小。

3 对学生自主探究过程的评价

此外，探究采取了分组探究的方式，不同小组探究内容不同，实验结束后，各小组在课堂上交流实验成果，分享心得，有效发挥了团队的力量，提高了探究效率，学生的交流合作能力得以提高。采取室内和室外实验相结合、课外探究和课内交流相结合的形式，有效打破了时间、空间限制，解决了高中阶段课时紧张、无法深入开展实验探究的问题。一线物理教师应该重视实验教学，推陈出新，挖掘实验内容，创新实验形式，达成物理学科核心素养的培养目标。