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《探究单摆周期与摆长的关系》的实验设计和改进
日期:2013-02-25   访问人数:23194   新闻来源:胡东升  
 
[摘要]本文是笔者在新课程改革理念指导下,按照新课标要求,对《探究单摆周期与摆长的关系》的实验设计和改进。为了学生更好的进行科学探究活动,笔者将演示实验改为学生探究实验。本文将从实验设计、实验改进、成功之处和进一步设想等四个方面展开。其中实验设计部分详细叙述了实验装置、仪器连接、实验数据采集、实验数据处理和总结规律;在实验改进部分更是图文并茂,十分具有可操作性和推广价值。
[关键词]周期与摆长;实验设计;实验改进
 
在新课程改革的理念指导下,按照新课标要求,在物理教学中改变“重科学结论,轻探究过程”的模式,以学生的探究活动为主线,倡导探究学习,使学生认识到产生科学知识必须依赖探究,让他们像科学家从事科学探究那样来学习科学,领悟科学探究的真谛。
普通高中物理课程标准(实验)》中把“科学探究及物理实验能力要求”与“共同必修模块”和“选修模块”并列,作为内容标准的一大部分。探究式学习可以增强学生的理解能力,可以培养学生的科学精神和创新能力;培养创新思维和实践能力;可以在收集信息中探究,问题解决中探究,在探索发现中探究,发挥学生的个性,使各种层次的学生都能从解决问题中获得满足感。
对于《单摆周期与摆长的关系》的教学,新教材选修3-4中将旧教材的演示实验改为学生探究实验,这是本章新教材所做的五处改动之一。
为了学生更好的进行科学探究活动,笔者指导学生设计并改进了《探究单摆周期与摆长的关系》实验。
一、   实验设计
(一) 实验仪器
单摆演示器、小钢球、光电门、数据采集器、计算机、细绳、米尺、游标卡尺、自制U型片、牙签
(二) 仪器连接
1.将自制U型片用螺丝固定在单摆演示器上,并用牙签固定单摆,如图1所示。
2.将光电门、数据采集器、计算机连接好。
3.将光电门固定在摆球下方,要求光电门的测量口测摆线通过的周期。如图2所示
(三)实验数据采集
1.打开朗威dislab通用软件,选择光电门测量为“单摆”。
2.让单摆在一个平面内摆动,当摆动稳定后,点“开始”,记录五组数据后停止,求它们的平均值,并记录在excel表格中。
3.调整摆长,重复第2步,测量摆长从1m到0.25m,每隔0.05m测量一次。如图3所示
(四)实验数据处理
1.指导学生观察数据特点,并特别对比摆长为1m和摆长为0.25m的单摆的周期。
2.用excel的图表功能处理数据。
(1)选中所有数据,选择图表向导,选择XY散点图。
(2)选择图表工具栏中的“添加趋势线”,先选择线性,发现绝大多数点在直线外,如图4所示,所以T和L并不是线性关系;根据刚才对比摆长为1m和摆长为0.25m的单摆的周期,再选择“多项式”,“阶数”选择“2阶”进行拟合,发现所有的点都在曲线上。如图5所示。
 
 

为了图象更清晰,可以根据周期和摆长的范围,更改横纵坐标的格式。

(五)总结规律
学生根据T—L图象可以比较容易的总结出T2 L ,完成了本节课的主要探究目标。
二、实验改进
(一) 原来的实验装置
我校原来的实验装置使用螺丝固定摆线,导致摆点容易变化,而且每改变一次摆长,需拧开螺丝,调整摆长,再拧紧螺丝,既费时又费力,而且测量摆长也不容易,如图6所示。
(二) 改进后的实验装置
1.为了保证摆点不动,笔者指导学生设计了一个U型片,并将其下面弯折并打小孔,如图7所示。将U型片用螺丝固定在单摆演示仪上,摆线穿过小孔并用牙签固定住,如图8所示。

        6                  7                     8

2.为了测量的摆长比较准确,在实验时笔者指导学生选用了直径为2cm的小钢球,并只测量摆线的长度,在摆线上做好标记,如图9所示。摆线长为64cm,摆球半径为1cm,这样摆长即为0.65m,以此类推,将1m、0.95m、0.90m······ 直到0.25m分别做好标记。
改变摆长时,只要拔出牙签,提拉摆线到记号处,再用牙签固定即可,既能保证摆点固定又省时省力;同时还能准确记录摆长。
3.在用光电门测量单摆周期时,以前是让摆球通过光电门,本实验是让摆线通过光电门,极大提高了周期测量的准确性,如图2所示。
三、成功之处
(一)学生在教师的指导下进行了探究实验的设计和改进,充分锻炼了学生的动手能力,提高了学生的分析数据的能力,较全面的培养了学生的探究能力,发挥了学生的积极性和主动性。
(二)先进实验仪器的使用,实验装置的改进,实验数据处理方法的革新,大大缩短了学生的实验时间,使学生在课堂上完成探究活动并得到正确的结论成为可能,极大地提高了学生学习的积极性。
(三)本实验的数据还可直接用于《利用单摆测量重力加速度》的实验中。在excel中直接输入公式就可以依次求出各次数据所对应的重力加速度,求它们的平均值即可。
四、进一步设想
虽然本实验中采取了测量摆线并在摆线上做标记的方法确定摆长,但还不能保证摆长的测量完全准确。笔者设想将位移传感器的发射端和接收端分别与摆点和摆球球心等高,实现准确测量摆长。
这个实验是笔者培养学生科学探究能力的初步尝试,作为指导者的教师和探究者的学生都从中获益匪浅,今后的教学中我们也要尽可能多的进行学生探究能力的培养。

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