基于仿真实验平台单摆测重力加速度研究

王瑞雪

（广汉市金雁中学 四川·德阳 618300）

0 前言

在中学物理的教学过程中，物理实验教学有着举足轻重的作用。但传统的演示实验教学问题颇多，如实验仪器较为陈旧，实验现象不清晰难以观察，实验数据分析困难以及教学课时紧张等。为了解决这诸多问题，部分教师会采用减少课堂实验演示时间的方式来应对此等情况，而这就使得原本就十分有限的课堂实验实践环节变得更加稀少，学生实验能力也没有得到充分培养，而这也直接导致学生普遍反应物理课堂较为抽象并难以理解。因此探索研究更加高效的课堂演示实验方法才能有效解决诸多问题。因此仿真实验应运而生，通过设计虚拟仪器，建立虚拟实验环境即是仿真实验。利用仿真实验平台进行物理实验教学，可使得教学形象逼真，解决上述传统实验中实验现象不清晰等诸多问题。学生可以通过仿真实验平台拟定实验参数、操作仿真实验仪器，从而达到学生能够通过该平台模拟真实的实验过程，进行整个实验过程。在仿真实验平台当中学生能够选择和组合平台所提供的相关实验设备，甚至可以自主利用平台进行实验的设计。在仿真实验平台中也能够反应教学思想，学生的实验操作必须建立在其理解和思考的基础上才能进行，有效杜绝了部分学生可能在实验中出现的盲目操作等现象，提高了物理实验教学的质量。本文基于仿真实验平台研究单摆测重力加速度这一高中物理力学实验，从而分析利用仿真实验平台进行物理实验教学的可行性和高效性。

1 单摆测重力加速度基本原理

单摆即用一条可以忽略微小形变和质量的细线一端拴一个小球，另一端固定在悬点上，且保证线长又比球的直径大得多的装置。单摆周期T即从平衡位置出发再次回到平衡位置且运动状态相同所花时间。单摆做简谐运动的振动周期跟摆长的平方根成正比，跟重力加速度的平方根成反比，与振幅和摆球的质量无关。单摆的周期公式为：

根据公式测出相关物理量即可测得重力加速度。

2 基于仿真实验平台利用单摆测重力加速度

利用仿真实验平台进行单摆测重力加速度实验在：

2.1 实验装置

本文用到的实验装置主要是仿真实验平台，其中仿真实验器材主要有带有量角器的单摆仪，米尺，螺旋测微器，电子秒表等。实验装置如下图1所示：

图1：单摆仿真实验平台

2.2 实验内容

2.2.1 实验准备

根据实验原理选择相应的实验器材，将需要用到的仪器从仪器栏中拖到桌面上来。利用鼠标双击使用的实验仪器进行调节。

2.2.2 测量记录实验所需物理量

调节摆线长度，双击米尺打开米尺测量窗口，双击单摆打开单摆窗口。按住单摆窗口中摆线末端的旋钮调节摆线长度，在米尺窗口中读出摆线长度。如下图2所示。

图2 测量摆线长度

图3 测量摆球直径

图4 记录摆动周期

测量摆球直径，双击打开螺旋测微器窗口，点击开始测量按钮，将小球拖入进行测量。根据所示数据进行读值，多次测量把数据记录到如下表1中。

测量摆动周期，打开单摆窗口以及电子秒表窗口。拖动小球使其偏离平衡位置一定角度，释放摆球使其做简谐运动，并且摆球每通过平衡位置一次就进行计数，同时使用秒表测量时间，如下图4所示。然后将数据填入到实验数据表格1中。

表1：测量单摆周期实验数据

2.2.3 处理数据得出实验结论

分析表格中的数据，计算出摆球直径的平均值，然后利用摆球通过平衡位置的次数测量出摆动周期数N，再结合测量时间NT，计算得到周期T，代入单摆周期公式，计算出重力加速度 g的大小为9.464 m/s2。通过查阅资料得知计算实验值与理论值基本吻合。

2.2.4 误差分析

在利用单摆测重力加速度该实验的学习过程中，要求学生理解体会在该实验过程中累积放大法的原理和应用，在教学过程中引导学生分析基本误差的来源，并且能够进行了解修正或者估算的相关办法。由于在实验过程中人的反应时间也会造成一定的实验误差，这里以该误差为例，平台提供给学生相关数据，如当学生假定摆长为L=70cm，小球直径d=2cm，摆动周期T则为1.700s，再结合千分尺精度0.001cm，秒表精度0.01s，米尺精度0.05cm，以及根据统计分析得到的实验人员开始或者暂停秒表反应时间约为0.1s左右，学生可以通过这些数据计算出相关误差，从而使得实验更加精确。

3 测试利用仿真实验平台进行单摆测重力加速度实验有效性

将学生若干分成实验组和对照组，实验组即利用仿真实验平台对单摆测重力加速度进行实验，对照组即没有利用仿真实验平台按照传统方式进行单摆测重力加速度实验。在课堂开始之前，设置与单摆测重力加速度实验相关的测试题目，进而可以了解学生在还未学习之前对该实验的了解情况。结果出来以后，将正确率进行统并对结果进行分析，该做法可以给该次测试控制不必要的干扰。

随后进行相同时长的课堂教学，在课堂结束后，对实验组和对照组学生立即进行相同题目的测试，在实验组和对照组完成测试题目后，统计二者题目正确率，并对测试结果进行分析：分析两者的正确率，然后对小组对实验组和对照组学生进行交流，了解学生对当堂课的掌握程度和课堂体验。时隔两个星期后，再对学生进行随堂测试，设置题目同样与单摆测重力加速度实验相关，统计延迟测试题目的正确率，并对实验组和对照组延迟测试结果进行分析。最终，通过测试结果分析得到实验班正确率与对照班正确率相当，实验组在延迟测试中正确率为83.4%，对照组在延迟测试中正确率为84.4%，说明大部分实验班的学生在记忆消退后依然能够正确解答单摆测重力加速度实验相关的测试题目，说明无论是实验组还是对照组学生对知识都有一定程度上的消化和理解。结果分析可得利用仿真实验平台进行单摆测重力加速度实验具有有效性。

4 结论与展望

本文结合高中物理力学知识，基于仿真实验平台对单摆测重力加速度进行研究。初步说明其能够被有效应用到物理实验教学当中，使得抽象的物理过程形象化，微小微观的现象直观精确化，激发学生学习物理的积极性，同时也解决了物理实验教学过程中器材有限，实验现象不清晰，数据分析困难等诸多现实问题。我们也可以在课后让学生自发利用仿真实验平台进行一些探究性实验，从而改变学生上物理课才有物理实验的想法，学生自己利用仿真实验平台完成单摆测量重力加速度等诸多实验，从而使仿真实验平台成为学生的得力实验工具，同时也培养了学生探索精神。

尽管如此，仿真实验也不能完全替代传统的实验教学，在利用仿真实验平台进行物理实验教学中仍然存在诸多问题：比如如何有效地将实验原理教学和仿真实验器材结合起来，如何让学生在利用仿真实验平台完成实验的同时，也能明白其中原理，而不是单纯地按照要求重复实验。因此我们期盼也相信在今后，将仿真实验平台应用于物理实验及教学研究的案例将会越来越多，并且取得更进一步的发展。