单摆实验的探究

洪维贞，傅求宝，邢海根

(1.庐江中学实验初中，安徽 庐江 231500；2.庐江县教体局教研室，安徽 庐江 231500)

教材上“探究摆的奥秘”实验采取在铁架台上固定摆球，分别改变摆重、摆长、摆角，通过控制变量法来进行实验，采用摆动20次、30次来计时，收集数据，分析得出结论. 实际上是设置了探究摆的周期的最捷径方案，不符合探究摆的周期的真实过程[1].

1 制作“准单摆”

实验器材：4个乒乓球(其中3个有开孔)、水、砂、粉、剪刀、裁纸刀、502胶水、细线等.

在3个开有个小孔的乒乓球内分别装满水、粉和砂. 再把另一个乒乓球剪开，剪下3个比小孔稍大的小块，在每个小块的凹表面均匀地涂上502胶水，把细线的一端放在涂过胶水的表面，最后把这3个小块紧压在小孔上将小孔堵住，便制成“准单摆”.

将2个装有同种物质、摆线长度相同的乒乓球拉至铁架台竖杆不同的距离，自由释放，观察哪个乒乓球先到达平衡位置研究摆角对摆的周期的影响；取摆线长度不同装有同种物质的乒乓球，拉到相同摆角的位置同时自由释放，观察哪个乒乓球先到达平衡位置，比较摆线长短对摆周期的影响. 取摆线长度相同质量不同的2个乒乓球，拉到相同摆角的位置同时自由释放，观察哪个乒乓球先到达平衡位置，便可比较摆的质量对摆周期的影响.

2 实验探究

2.1 摆的周期与摆线一端到摆锤中心的距离的关系

如图1所示，取相同长度的摆线2根，1根下方固定1只乒乓球，另1根下方固定3个乒乓球，分别系在铁架台的横杆的不同位置，都拉到相同的摆角处同时自由释放，观察某一乒乓球到达平衡位置的现象.

图1 探究摆的周期与摆线的一端到摆锤中心的距离

显然，摆线长度相同，但摆的周期不同，可得出摆的周期与摆线的一端到摆锤中心的距离大小有关[2].

2.2 摆的周期与摆线一端到摆锤重心的距离的关系

如图2所示，取2个相同长度的摆线，在摆线下端连续挂2个分别装满砂与装满水的乒乓球，只不过两球的上下位置相反. 将它们分别挂在铁架台的横杆上，拉到相同摆角，同时自由释放，观察某乒乓球到达平衡位置的情况[3].

图2 探究摆的周期与摆线一端到摆锤重心的距离的关系

发现2个球中上方装满砂的先摆到平衡位置，而这2个摆的摆线一端到摆锤的中心距离相同，说明上述结论不正确，原来摆的周期由摆线的一端到摆锤的重心的距离决定. 物理学上把摆线的一端到摆锤重心的距离叫摆长,摆的周期是由摆长决定，摆长越大，摆的周期就越大[4].

2.3 影响摆的周期的次要因素

如图3所示，取摆长相同，1个摆锤为装有砂的乒乓球，1个摆锤为小钢球，调节乒乓球内砂的多少，使2个球的质量相同，将它们并列悬挂在铁架台的横杆上，拉到同一摆角，同时自由释放，观察某个摆锤到达平衡位置的情况.

发现小钢球的单摆摆得快，先到达平衡位置. 表面上是摆锤大小不同，但摆在运动时，由于摆锤大小不同，受到空气阻力不同，实验说明摆的周期可能受摆锤大小影响，也可能受空气阻力影响[5].

图3 探究不同材质的小球对单摆周期的影响

2.4 摆的周期与空气阻力的关系

在钟罩内固定一横杆，取摆长相同，1个摆锤为装有砂的乒乓球，1个摆锤为小钢球，调节乒乓球内砂的多少，使2个球的质量相同，将它们并列悬挂在钟罩内的横杆上，拉到同一摆角，如图4所示，将2球同时自由释放，并用抽气机抽气，一段时间后，观察到2球摆动时每次都同时到达竖直位置，如图5所示.

图4 有空气时摆球摆动 图5 抽气后摆球摆动

分析实验现象可知，在不受空气阻力时，摆锤大小不同，摆的周期相同，说明摆的周期与摆锤的大小无关，与受空气阻力大小有关.

2.5 探究摆的周期与摆长的定量关系

取几个配有细线小钢球，利用刻度尺制成不同摆长的单摆，分别固定在铁架台上，将摆拉到约小于5°处自由释放，当钢球到达平衡位置时，用秒表计时，测量30个周期t，数据如表1所示，摆的周期与摆长的平方根成正比关系如图6所示.

表1 实验数据

图6 摆的周期与摆长的平方根的关系

3 建立单摆理想模型

4 结束语

在探究教学中，应从人类认知事物的规律出发，经过探究与再探究的过程，使学生的感性认识与理性认识以螺旋式上升. 核心素养视域下的科学探究，包含物理观念的建立、科学思维培养与科学态度及社会责任的形成；要强调认证、质疑、创新，讲究实事求是，不迷信权威，保护环境、节约资源等素养的形成. 在科学探究的教学中，教师根据教材重新开发课程资源，这不仅能提高学生的学习兴趣，而且能通过激发学生的创新意识，在实际操作中来培养学生的操作能力. 在实验中教师要以一丝不苟的科学态度来引导，用发明创新方法来解决教学中的需要，培养学生的科学态度与责任感.