用单摆测重力加速度实验的改进

用单摆测重力加速度实验的改进

作者：苏宏

来源：《中小学实验与装备》 2018年第6期

“单摆测重力加速度”实验的基本原理是根据L 和周期T .传统实验测摆长和周期的方法比较繁琐,用眼睛盯着小球看,数全振动次数,容易引起实验者眼睛的疲劳,稍有疏忽就会出错,导致更大的误差.针对上述问题,笔者对实验进行了改进,在实验装置中安装了光电计数传感器,记时间时只需关注初、末状态,不需关注过程.改进后的实验操作方便、效果显著、误差较小.

1 创新思路

1．1 测量摆长

为了减小误差,要不断改变摆长.由于摆线比较长,每次测量还要改变悬点,操作很不方便.鉴于此,笔者尝试将一个带有小孔的铁棒固定在铁架台上,让细线穿过小孔,那么,小球摆动时这个小孔就相当于悬点,小球球心到小孔的距离就是摆长.实验时移动铁架台上的铁棒,小孔也跟着移动,摆长也随之改变.如图1 所示,设悬点O 离球心距离为L0,小孔O′与O 点距离为L′,则摆长L ＝L0 －L′.用这种方法不需要每次拴接细线,即可方便地确定不同状态下单摆的摆长.

1．2 测量周期

为了减小实验误差,传统实验的方法是,确定周期时测出小球做N 次全振动的时间t,然后经过换算得出周期T ＝tN .这种方法的不足之处有以下几点.

(1)要求小球从平衡位置开始计时,有时很难把握平衡位置导致误差.

(2)每次测量都要用眼睛盯着小球并要数全振动次数,容易使眼睛疲劳,稍有疏忽就会出错.

(3)每次测量都要用公式T ＝tN 换算周期,比较繁琐.

针对上述问题,如果在实验装置中安装光电计数传感器,小球摆动过程中每经过一次平衡位置,计数器就开始记数,从计数“1”开始计时,只需要记下计数器的次数N 和相应的时间t,不需要关注小球运动的具体过程,就能达到实验目的.

2 创新设计方案

如图2所示,将光敏电阻和传感器一端相连,小灯泡和传感器另一端相连,并接6V 直流电源.小灯泡和光敏电阻正对,当小球通过它们之间时,光线被挡住,这样计数器就开始计数“1”、当小球再次摆回来通过它们之间,计数器就计“2”、这样就依次按顺序计数.从计数器“1”开始记时间,当计数器计数“3”时,正好是小球完成一次全振动;计数器计“5”时,小球完成第二次全振动;计数器计“7”时,是第三次全振动设计数器计数为N ,小球全振动次数为n,所用时间为t,则:

(4)接通电源,让摆球摆动(摆角小于10°),当计数器开始计“1”时,用秒表开始记时,计数器显示N ＝61时,停止记时,记下所用的时间t.

(5)在铁架台上逐渐下移铁棒到某一位置固定,并测出铁棒与铁夹之间的距离OO′为L′,则此时摆长为L＝L0－L′,重复步骤4,记下相应的时间t,相关记录见表1.

4 教学评价

4．1 实验教学改进评价

此实验的改进,把教材原有的实验器材与传感器相连接,打破了传统实验教学的“思维惯性”,有效地突破了教学难点,同时体现了物理学科核心素养中的“实验创新”理念,培养学生的思维能力,促进了实验教学改革的可持续发展.

4．2 实验教学效果评价

为了体验实验改进后的教学效果,笔者把传统实验和改进后的实验对两个同档次的班级进行实验尝试,把这两个班级分别命名为“常规班”和“实验班”,并全程跟踪.实验后要求每个小组写实验心得体会并要求两个班级进行对比交流.笔者设计了问卷,从实验装置、实验原理、实验过程等方面进行调查.在问卷调查中明显反映出,无论表中的哪项内容“实验班”的满意度明显高于“常规班”.通过实验创新,能激发学生的学习兴趣,帮助学生更好地理解消化所学知识,突显了实验改进的重要作用.