影响摆摆动快慢的因素实验创新

山东省淄博市淄川区雁阳小学 邓云峰 白先锋

在小学阶段，如何研究影响摆摆动快慢的因素呢？方法有三种：一是在摆幅和摆绳长度不变的情况下改变摆锤质量；二是在摆锤质量和摆绳长度不变的情况下改变摆幅；三是在摆锤质量和摆幅不变的情况下改变摆绳的长度。

以往，教师使用的教具不够科学，操作不够严谨，实验易出现误差。因此，我们结合STEAM 教育理念对实验进行改进。

一、改进方案

实验器材

两个大小不同的单摆摆锤、半圆形空白木板、支架、摆绳

装置制作

1.3D 打印两个大小不同的中空摆锤（球形），在摆锤中间各安装一枚强力磁铁（如图1）。

图1

2.用半圆形空白木板制作中间刻度为0°，由中间往两边逐步增加度数的倒置量角器，分别在15°、30°、45°处标记刻度并留好插孔。

3.测量摆绳长度，在摆锤重心与支架相切处标记长度。例如摆绳端点到摆锤重心的长度为20 cm，将摆锤靠在支架上，在摆锤重心与支架相切处标记20 cm（如图2）。

图2

二、操作过程

实验一：在摆幅和摆绳长度不变的情况下改变摆锤质量

1.准备摆幅为15°的单摆，摆绳长度为30 cm。

2.利用秒表测量该摆在10 秒内摆动的次数并记录。

3.在摆幅和摆绳长度不变的情况下，将中空球形小摆锤吸附在原摆锤上，测量其在10 秒内摆动的次数并记录。

4.在摆幅和摆绳长度不变的情况下，将中空球形大摆锤吸附在原摆锤上，测量其在10 秒内摆动的次数并记录。

5.比较数据，得出实验结论。

以往的实验通过直接挂钩码或用橡皮泥包裹原摆锤的方式增加摆锤质量，这样会使摆锤重心改变、摆绳长度变化（如图3），导致实验出现误差。将中空球形摆锤吸附在原摆锤上，很好地利用了磁铁的磁性（如图4），提高了实验的精确度，节省了学生操作的时间。

图3

图4

实验二：在摆锤质量和摆绳长度不变的情况下改变摆幅

1.准备好单摆，摆锤为原摆锤，摆绳长度为30 cm。

2.将摆绳拉至倒置量角器15°刻度处，利用秒表测量该摆在10秒内摆动的次数并记录。

3.在摆锤质量和摆绳长度不变的情况下，将摆绳拉至倒置量角器30°刻度处，测量该摆在10 秒内摆动的次数并记录。

4.在摆锤质量和摆绳长度不变的情况下，将摆绳拉至倒置量角器45°刻度处，测量该摆在10 秒内摆动的次数并记录。

5.比较数据，得出实验结论。

在以往的实验过程中，学生无法准确控制摆幅（如图5）。在改进后的实验中，学生使用带有刻度的倒置量角器（如图6），便于控制摆幅，实验操作更严谨。

图5

图6

实验三：在摆锤质量和摆幅不变的情况下改变摆绳的长度

1.准备好单摆，摆锤为原摆锤，摆幅为15°。

2.将摆绳调至支架40 cm 处，利用秒表测量该摆在10 秒内摆动的次数并记录。

3.在摆锤质量和摆幅不变的情况下，将摆绳调至支架30 cm 处，然后测量该摆在10 秒内摆动的次数并记录。

4.在摆锤质量和摆幅不变的情况下，将摆绳调至20 cm 处，然后测量该摆在10 秒内摆动的次数并记录。

5.比较数据，得出实验结论。

在以往的实验中，是将摆绳对折或直接测量摆绳的长度（如图7），在改进后的实验中，利用支架刻度间接测量摆绳长度（如图8），降低了测量的难度，节省了测量时间，使实验更简单。

图7

图8

注意：为保证实验数据的准确性，实验中所有的数据需经三次以上测量后取全部数据的平均值。

三、创新点

方便高效。3D 打印的中空摆锤能快速改变摆锤质量，提高实验效率。

准确无误。倒置量角器和标有刻度的支架使摆幅和摆绳的测量更加精准，实验更加科学严谨。