單擺周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

1、.單擺周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)單擺是高中物理教學(xué)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn),它提醒了一個(gè)重要規(guī)律單擺的等時(shí)性原理,即在擺角很小小于10°,忽略空氣阻力對(duì)擺球運(yùn)動(dòng)影響的情況下,單擺的振動(dòng)周期跟振幅A、擺球的質(zhì)量m無(wú)關(guān),只與擺長(zhǎng)l及擺球所處位置的重力加速度g有關(guān)。單擺的周期公式為:。課本上安排了改變單擺的擺長(zhǎng)對(duì)單擺周期影響的實(shí)驗(yàn),取擺長(zhǎng)不同的單擺,讓學(xué)生觀察、感受單擺振動(dòng)快慢的變化,并分別測(cè)出它們的周期。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明:擺長(zhǎng)變長(zhǎng),周期變大;擺長(zhǎng)變短,周期變小。至于加速度g的變化對(duì)單擺周期的影響,課本上未做這方面的實(shí)驗(yàn)安排。為了讓學(xué)生更形象直觀地感受加速度g對(duì)單擺周期的影響,進(jìn)一步加深對(duì)單擺周期公式的理解,我們對(duì)

2、單擺實(shí)驗(yàn)進(jìn)展了研究和理論。單擺在振動(dòng)過(guò)程中,擺球無(wú)論運(yùn)動(dòng)到什么位置,始終受到豎直向下的重力G的作用地球吸引結(jié)果。而周期公式中的加速度g就是擺球在所在位置受到的重力G產(chǎn)生的。我們知道,力是產(chǎn)生加速度改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的,那么只要想方法改變單擺在振動(dòng)過(guò)程中豎直方向上的受力情況,就相當(dāng)于改變了擺球所在位置的加速度g。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1 在演示用的圓形電磁鐵教學(xué)用電磁鐵起重機(jī)模型正上方懸掛1個(gè)單擺擺長(zhǎng)約為1m,擺球?yàn)樾¤F球,靜止時(shí),擺球與電磁鐵相距1cm,圖1a所示。1拉開擺球使其偏離平衡位置很小的角度小于10°釋放,讓擺球在空氣中自由振動(dòng)忽略空氣阻力,只在重力、拉力作用下,

3、觀察單擺振動(dòng)的快慢,并測(cè)出周期。2在單擺自由振動(dòng)過(guò)程中,接通電磁鐵電源,觀察單擺振動(dòng)快慢的變化忽略空氣阻力,在重力、拉力、磁力作用下,并測(cè)出周期。由1到2的過(guò)程中,擺長(zhǎng)保持不變,我們看到單擺在通電后的電磁鐵上方振動(dòng)比在空氣中自由振動(dòng)明顯變快周期變小。這是由于擺球受到了電磁鐵強(qiáng)磁場(chǎng)的作用吸引,改變了擺球在豎直方向上的受力情況,這種改變相當(dāng)于增大了擺球所在位置的加速度g。實(shí)驗(yàn)顯示g變大,單擺振動(dòng)變快、周期變小,與單擺振動(dòng)規(guī)律相符。實(shí)驗(yàn)2 在演示用的圓形電磁鐵的正上方懸掛1個(gè)電磁擺球自制或用J2418型小型電動(dòng)機(jī)模型中電磁鐵改制。靜止時(shí),擺球距圓形電磁鐵1cm,如圖1b所示。調(diào)整好電磁擺球、圓形電磁

4、鐵中的電流方向讓它們產(chǎn)生的磁性互相排斥。先讓擺球在空氣中自由振動(dòng),觀察振動(dòng)快慢,測(cè)出周期。在自由振動(dòng)過(guò)程中,同時(shí)接通電磁擺球、圓形電磁鐵電源,我們看到擺球的振動(dòng)立即明顯變慢了,這是由于擺球受到了電磁鐵強(qiáng)磁場(chǎng)的作用排斥,改變了擺球在豎直方向上的受力情況。這種改變相當(dāng)于在擺長(zhǎng)不變的情況下,減小了擺球所在位置的加速度g。實(shí)驗(yàn)顯示,單擺周期隨著加速度g的減小而增大,與單擺振動(dòng)規(guī)律相符。另外,改變電磁擺球或圓形電磁鐵兩者其中一個(gè)的電流方向,讓他們產(chǎn)生的磁性互相吸引,即可演示與實(shí)驗(yàn)1中現(xiàn)象一樣的實(shí)驗(yàn)。以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn),在擺長(zhǎng)不變的情況下,改變擺球的受力情況,從而得到相當(dāng)于改變單擺所在位置的加速度g,演示了單擺周期隨著加速度g的改變也隨之發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,又因是在單擺自由振動(dòng)過(guò)程中,直接改變擺球的受力,前后周