多功能傅科摆演示器

王叶青

项目摘要

该演示器适合在小学科学课及中学物理课上讲述有关地球自转的知识时作为辅助教具。它利用廉价易得的材料制作，可以直观地呈现傅科摆的原理从而证明地球的自转。该装置具有证明过程科学严谨、体积小、操作方便、演示时间短、演示效果显著、制作成本低廉等优点，该装置还能应用于科学课及物理课学习中涉及的所有关于摆的实验，能有效地降低学习者的理解难度。

项目背景及基本思路

项目背景

1851年，法国著名物理学家傅科为了验证地球自转进行了一系列壮观的实验，那次实验所用的装置被人们称之为傅科摆，这也是人类第一个用实验验证地球自转的装置。

该实验在教科版小学《科学》5年级下册第4单元第3课“证明地球自转”中介绍。这一课中教材安排了2个活动：探究摆的特点和傅科摆的原理。第1个活动存在4点不足。

整个装置没有以摆绳顶点为中心旋转，容易形成圆锥摆；

摆在摆动过程中会撞到铁架台，导致实验失败；

整个装置不平稳，铁架台容易倾倒，不易操作；

证明过程不够科学严谨。

教材的第2个活动仅用图片、文字及配套教材视频让学生理解傅科摆的原理，为什么不以实验的形式呈现呢？因为真正的傅科摆摆锤重量高达28千克，摆绳长达67米，这样20多层楼高的傅科摆只有在天文馆等一些专业科普场馆可见，这就导致学生不能在课堂上亲眼见证、亲手探究，理解起来相当困难，远离中心城市的学生更是连参观一次的机会都非常稀少。为了克服在教学中遇到的一系列困惑，我制作了傅科摆模型模拟该实验。

基本思路

首先突破教材中活动1的缺陷，严格按照傅科摆的运行原理制作出演示器证明地球自转；然后画出设计图纸，并寻找生活中常用或废弃材料用于组装装置，包括置物架、吊线锤、轮子、卷尺等。在反复实验过程中不断改进设计，将轮子改成餐桌转盘使其可以平稳地围绕圆心转动，加入量角器、牙簽等形成多功能演示器，将置物架改造成木质框架，加入雾化器和激光笔以显示摆的特点。最后，加入摄像功能直观展示刻度盘上示数的变化。完成后的傅科摆演示器如图所示。

项目应用的科学方法和科学原理

首先利用光沿直线传播的特点证明摆具有保持摆动方向不变的特点，餐桌转盘可以让整个装置平稳地围绕摆锤锤心进行圆周旋转，完美地模拟地球自转。摆的摆动方向不变，但摆锤指示的刻度盘示数在不断变化，从而证明刻度盘在随着地球自转。

演示器使用方法

首先让摆沿着激光的照射方向摆动起来，缓慢而平稳地转动整个装置，可以观察到摆锤摆动的方向始终沿着光的照射方向，由此证明摆具有保持摆动方向不变的特点。

在装置底盘放上刻度盘，让摆再次摆动起来，接通电源让整个装置平稳匀速逆时针旋转，发现随着时间的流逝，摆指示的刻度不断地发生变化。摆可以保持摆动方向不变，但指示的刻度在发生变化，并通过摄像将整个过程展现出来，说明整个装置在随着这个“地球”即圆盘底座一起转动，由此证明地球在自转。

通过更换摆锤、用木塞及卷尺控制摆绳长度、用自制量角器改变摆角大小等手段探究摆摆动快慢的影响因素。

项目创新点

利用光沿直线传播的特性证明单摆具有保持摆动方向不变的特点，更科学严谨，也更加直观。

装置底座设置自动餐桌转盘，可使整个装置自动围绕摆绳作圆周转动，从而有效模拟傅科摆原理，装置的开关插头等设计在底座外面，操作起来更加方便。

把卷尺、自制量角器、吊线锤等与单摆结合，可以演示多种单摆探究实验。

整个装置采用自制木架结构，节约成本，牢固美观。

由于安装了摄像头，演示器可以直观地展示摆锤指示的刻度盘示数的变化，真实地模拟1851年傅科做实验的场景。

该装置还具有证明方法科学严谨、体积小、操作方便、演示时间短、演示效果显著等优点。

项目使用情况和进一步完善设想

使用情况

该演示器已在宿迁市实验小学5年级科学课教学中投入使用2学年，成功地突破了长期以来的教学难点，学生对傅科摆原理的接受程度大大提高，教学效果明显。

进一步完善设想

继续对整个装置的木架结构进行改装，将其变为组合式，以便可拆可卸，携带方便。

该项目获得第32届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

该项目制作了多功能傅科摆演示器，直观证明地球自转。该项目原理科学，概念清晰，构思巧妙，设计合理，作品教育性强。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。项目资料齐全，研究报告书写规范。希望该项目在教具材质方面作出改进和提升。