对单摆振动图像演示实验的改进

王凤侠

(西北大学附中，陕西 西安 710069)

人教版高中物理“单摆”安排在“简谐运动”学习之后，作为简谐运动的新模型，学生的认知水平尚不足,在教学过程中，需要通过演示实验得到单摆在摆角不大的情况下，其摆动图像为正(余)弦曲线，从而说明单摆的摆动为简谐运动.但现行的演示实验存在一些不足之处，不利于发挥实验教学的优势，培育学生的物理素养.鉴此，本文从有益于培养学生核心素养入手，对几种常见的演示实验方案不足之处进行分析，设计制作了单摆振动图像演示装置.

1 常见的演示实验方案不足之处分析

方案1： 利用沙摆演示振动图像.

如图1所示，此方案存在的问题： (1) 单线摆在振动过程中会出现不在一个平面的可能,(2) 随着沙子的下漏，等效摆长在发生变化.

图1

方案2： 利用毛笔尖在纸板上画出痕迹.

如图2所示，在摆球下端安装一支毛笔，利用毛笔尖在纸板上画出痕迹，此方案存在的问题： (1)毛笔尖与纸板的摩擦力严重影响实验效果，(2)对学生构建单摆模型不利，(3)图线的粗细不一.

方案3：教材方案.

如图3所示，除去活塞的注射器通过细管口向下滴墨水，用手匀速拖动一张白纸,以显示单摆振动的图像.此方案最大的成功之处是利用双线摆代替单线摆，确保摆球始终在同一竖直平面内摆动，其次，沿用了方案2的改进思路，成功地解决了沙摆与纸板间摩擦力的问题.然而，此方案还存在以下几个问题：(1)针筒过大，质量较轻，不能视为单摆； (2)墨水的下滴不能有效地控制；(3)用手拉动纸板运动，不能确保纸板的速度恒定.

图2

2 改进后的实验装置介绍

(1) 沿用教材思路将单线摆改装成双线摆，以确保摆锤只在同一个竖直平面内运动,如图4所示.

图4

(2) 选用质量较大的摆锤(摆锤质量远远大于墨水的质量,确保摆锤重心不变)，在下端安装一个注射器针头穿过摆锤，连接一细软管和注射器相连.如图5所示，摆锤摆动稳定后，手推动注射器柱塞，墨水均匀滴下.这样的设计既能让等效摆长保持不变，还能让滴在纸板上的墨迹更清晰地反映摆锤在不同时刻的振动位置，便于观察研究.

图5

(3) 用电机带动滚轮以拉动纸板匀速运动，如图6所示，能让纸板位移的均匀变化反映时间的均匀流逝.如果加装一个电机调速器，还可以演示纸板不同速度下运行时所绘振动图像的情况.

(4) 通过支架高度的调节，以改变摆长，如图7所示，可以演示不同摆长时的振动图像.

(5) 利用电磁开关，如图8所示，确保摆锤无初速释放.

图7

3 实验过程及效果

在本实验的课堂教学实践中，首先给学生展示常见的实验方案和教材提供的方案，引导学生发现各种实验方案中存在的问题.针对发现的问题启发、鼓励学生设计实验改进方案，通过师生之间、生生之间的交流探讨，优化改进方案，逐步在大家脑海中形成最为合理的改进方案，同时鼓励学生课后尝试完成各种富有创意的实验方案设想.在课堂实验教学中通过这样的方式，逐步培养学生的问题意识、创新能力，也深层次激发了学生学习物理的兴趣和探究自然奥妙的欲望.

在深入思考与讨论的基础上，教师再展示出改进方案的实验装置实物，同学生一起进行单摆振动图像的描绘，亲身体会简谐运动过程，观察单摆振动的规律，逐步认识单摆的运动是简谐运动.利用改进的实验装置，还可以进行摆长不变，纸板速度不同、摆长不同，纸板速度不变两种对比实验，进一步研究单摆的振动规律，例如，保持纸板运行速度不变，改变摆长，(抬高框架的高度，同时调节摆长)，在纸板上各留下一个周期的痕迹，用剪刀剪下每一个周期对应的纸板进行对比，对比发现，纸板在相同速度运行下，摆长增长，一个周期内纸板运动的距离变长，说明单摆摆动的周期变大.这是学生学习过程中经常遇到的难点问题，通过这样直观的对比实验，学生很容易突破了这个知识难点.

4 对教学的启发

在学习物理的过程中，要形成物理概念和认识物理规律，培养科学探究意识和创新意识，全面提高学生的核心素养，实验教学是非常重要而且有效的一个环节和途径.精心设计的实验在学生对物理事实获得明确、具体认识的同时，通过学生的设计和过程的参与，学生的思维能力、实践操作能力、创新能力、合作探究的能力都会得到提高.