单摆做简谐振动周期的探究

单摆做简谐振动周期的探究

发表时间：2018-09-19T15:55:13.053Z 来源：《创新人才教育》2018年第7期作者：黄伟1 李宏2

[导读] 探究活动的开展，对提高学生的学习兴趣，培养学生物理科学素养，将起到至关重要的作用。

黄伟四川省广汉中学 618300

李宏四川省广汉中学 618300

摘要：高中物理课堂，对物体运动规律的探究式课堂最艺术性，也是最重要的一环。探究活动的开展，对提高学生的学习兴趣，培养学生物理科学素养，将起到至关重要的作用。笔者设计了几种不同方法，用来探究单摆的周期规律，以期能为广大高中物理教师同仁在开展物理课堂探究性学习活动时，起到抛砖引玉的作用。

关键词：实验探究、理论探究、SI单位制推导。

《单摆》是教科版《物理》选修3-4第一章机械振动第二节的内容。单摆的周期规律的探究活动是本节课最重要的一环，笔者将通过实验探究、理论探究、SI单位制推导探究这三种方法，探究单摆的周期规律，并最终得出单摆的周期公式，供大家交流讨论。

一、实验探究

实验探究主要采用控制变量法，探究单摆的周期与摆球质量、振幅、摆长的关系。探究形式多种，可以教师实验演示探究，也可以学生分组实验探究，笔者在具体课堂教学中是如下设计的。

1、教师演示实验探究

先让学生通过观察生活中的单摆运动（如吊灯摆动），猜想单摆的周期与那些因素有关，教师再通过实验器材加以演示。

演示装置如图，将3组实验用摆球都安装在同一铁架台上，同一横梁上安放两个摆球，通过对比实验比较两摆球在质量、振幅、摆长分别不同的情况下，探究周期与摆球质量、振幅、摆长的关系。实验中，为达到同时释放小球的目的，可制作并使用电磁铁将小球吸住，通过控制电流开关同时释放小球。在小球摆到最低点的正前方安放摄像头，将小球的运动画面投影到多媒体屏幕上。教师实验演示，学生通过屏幕观察比较小球的周期，得出单摆的周期与周期与摆球质量、振幅、摆长的定性关系。

演示实验1——振幅很小时单摆的T与摆球质量的关系（振幅和摆长相同）

现象：质量大的球和质量小的球同时释放，同时到达最低点。

结论：单摆的T与摆球质量无关。

演示实验2——振幅很小时单摆的T与振幅的关系（质量和摆长相同）

现象：振幅大的球和振幅小的球同时释放，同时到达最低点。

结论：单摆的T与摆球振幅无关。

演示实验3——振幅很小时单摆的T与摆长的关系（质量和振幅相同）

现象：摆长长的小球和摆长短的球同时释放，摆长长的球后到达最低点。

结论：摆做简谐运动的周期T与摆长有关，摆长越长，周期越大。

2、学生分组探究实验——探究单摆周期T与摆长的定量关系

学生利用教师事先准备好的实验器材进行分组探究实验。已知小球的直径为2cm，要求测不同摆长的单摆30次全振动的总时间再折算单摆的周期T，填入下列表格，并绘出T-l图。每个实验小组有6人，自行确定组长、测量员、操作员、计时员、记录员和绘图员，相互配合快速完成。

学生画出的T-l图是一条弯曲的线，大致能够看出摆长越长，周期越大。可以先让学生猜想单摆周期和摆长的关系，若有学生猜想周期和摆长是二次函数关系，教师可以利用EXCL数据表格作为辅助，电脑画出T2-l关系图。这时从投影上学生就可以清楚的看到T2-l关系图是一条几乎过坐标原点的直线，在实验误差影响情况下可以说T2与l成正比。甚至可以电脑上直接求出直线的斜率k≈4，从而定性得出单摆周期T与摆长的定量关系T2=4l。

二、理论探究

如图，单摆在来回摆动过程中，重力的切向分力始终起到让偏离平衡位子的摆球往平衡位子回复的作用，故这个力就是回复力

总结：学生通过教师演示探究实验，以及分组探究实验，还原了物理规律从猜想到实验得出结论，从定量研究到定性研究的过程。通过画T-l图以及T2-l图让学生体验物理探究实验过程中对物理实验数据的多维度处理方法，深入的能感受到物理规律得出的科学性和准确性，加深对物理规律得出的了解。能够从科学知识与技能、科学方法与能力、科学行为与习惯、科学精神、科学态度和价值观等全方位培养学生的物理科学素养。参考文献

教科版《物理》选修3-4