王鳳俠

(西北大學(xué)附中，陜西 西安 710069)

人教版高中物理“單擺”安排在“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)之后，作為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的新模型，學(xué)生的認(rèn)知水平尚不足,在教學(xué)過(guò)程中，需要通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)得到單擺在擺角不大的情況下，其擺動(dòng)圖像為正(余)弦曲線，從而說(shuō)明單擺的擺動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).但現(xiàn)行的演示實(shí)驗(yàn)存在一些不足之處，不利于發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，培育學(xué)生的物理素養(yǎng).鑒此，本文從有益于培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)入手，對(duì)幾種常見(jiàn)的演示實(shí)驗(yàn)方案不足之處進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)制作了單擺振動(dòng)圖像演示裝置.

1 常見(jiàn)的演示實(shí)驗(yàn)方案不足之處分析

方案1： 利用沙擺演示振動(dòng)圖像.

如圖1所示，此方案存在的問(wèn)題： (1) 單線擺在振動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不在一個(gè)平面的可能,(2) 隨著沙子的下漏，等效擺長(zhǎng)在發(fā)生變化.

圖1

方案2： 利用毛筆尖在紙板上畫(huà)出痕跡.

如圖2所示，在擺球下端安裝一支毛筆，利用毛筆尖在紙板上畫(huà)出痕跡，此方案存在的問(wèn)題： (1)毛筆尖與紙板的摩擦力嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)效果，(2)對(duì)學(xué)生構(gòu)建單擺模型不利，(3)圖線的粗細(xì)不一.

方案3：教材方案.

如圖3所示，除去活塞的注射器通過(guò)細(xì)管口向下滴墨水，用手勻速拖動(dòng)一張白紙,以顯示單擺振動(dòng)的圖像.此方案最大的成功之處是利用雙線擺代替單線擺，確保擺球始終在同一豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，其次，沿用了方案2的改進(jìn)思路，成功地解決了沙擺與紙板間摩擦力的問(wèn)題.然而，此方案還存在以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)針筒過(guò)大，質(zhì)量較輕，不能視為單擺； (2)墨水的下滴不能有效地控制；(3)用手拉動(dòng)紙板運(yùn)動(dòng)，不能確保紙板的速度恒定.

圖2

2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置介紹

(1) 沿用教材思路將單線擺改裝成雙線擺，以確保擺錘只在同一個(gè)豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),如圖4所示.

圖4

(2) 選用質(zhì)量較大的擺錘(擺錘質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墨水的質(zhì)量,確保擺錘重心不變)，在下端安裝一個(gè)注射器針頭穿過(guò)擺錘，連接一細(xì)軟管和注射器相連.如圖5所示，擺錘擺動(dòng)穩(wěn)定后，手推動(dòng)注射器柱塞，墨水均勻滴下.這樣的設(shè)計(jì)既能讓等效擺長(zhǎng)保持不變，還能讓滴在紙板上的墨跡更清晰地反映擺錘在不同時(shí)刻的振動(dòng)位置，便于觀察研究.

圖5

(3) 用電機(jī)帶動(dòng)滾輪以拉動(dòng)紙板勻速運(yùn)動(dòng)，如圖6所示，能讓紙板位移的均勻變化反映時(shí)間的均勻流逝.如果加裝一個(gè)電機(jī)調(diào)速器，還可以演示紙板不同速度下運(yùn)行時(shí)所繪振動(dòng)圖像的情況.

(4) 通過(guò)支架高度的調(diào)節(jié)，以改變擺長(zhǎng)，如圖7所示，可以演示不同擺長(zhǎng)時(shí)的振動(dòng)圖像.

(5) 利用電磁開(kāi)關(guān)，如圖8所示，確保擺錘無(wú)初速釋放.

圖7

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及效果

在本實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)實(shí)踐中，首先給學(xué)生展示常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)方案和教材提供的方案，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)方案中存在的問(wèn)題.針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題啟發(fā)、鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，通過(guò)師生之間、生生之間的交流探討，優(yōu)化改進(jìn)方案，逐步在大家腦海中形成最為合理的改進(jìn)方案，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生課后嘗試完成各種富有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)想.在課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過(guò)這樣的方式，逐步培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)、創(chuàng)新能力，也深層次激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和探究自然奧妙的欲望.

在深入思考與討論的基礎(chǔ)上，教師再展示出改進(jìn)方案的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物，同學(xué)生一起進(jìn)行單擺振動(dòng)圖像的描繪，親身體會(huì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)過(guò)程，觀察單擺振動(dòng)的規(guī)律，逐步認(rèn)識(shí)單擺的運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).利用改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，還可以進(jìn)行擺長(zhǎng)不變，紙板速度不同、擺長(zhǎng)不同，紙板速度不變兩種對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究單擺的振動(dòng)規(guī)律，例如，保持紙板運(yùn)行速度不變，改變擺長(zhǎng)，(抬高框架的高度，同時(shí)調(diào)節(jié)擺長(zhǎng))，在紙板上各留下一個(gè)周期的痕跡，用剪刀剪下每一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的紙板進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，紙板在相同速度運(yùn)行下，擺長(zhǎng)增長(zhǎng)，一個(gè)周期內(nèi)紙板運(yùn)動(dòng)的距離變長(zhǎng)，說(shuō)明單擺擺動(dòng)的周期變大.這是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)常遇到的難點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)這樣直觀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很容易突破了這個(gè)知識(shí)難點(diǎn).

4 對(duì)教學(xué)的啟發(fā)

在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中，要形成物理概念和認(rèn)識(shí)物理規(guī)律，培養(yǎng)科學(xué)探究意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，全面提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常重要而且有效的一個(gè)環(huán)節(jié)和途徑.精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)在學(xué)生對(duì)物理事實(shí)獲得明確、具體認(rèn)識(shí)的同時(shí)，通過(guò)學(xué)生的設(shè)計(jì)和過(guò)程的參與，學(xué)生的思維能力、實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新能力、合作探究的能力都會(huì)得到提高.