鄧云峰　白先鋒

在小學(xué)階段，如何研究影響擺擺動(dòng)快慢的因素呢？方法有三種：一是在擺幅和擺繩長(zhǎng)度不變的情況下改變擺錘質(zhì)量;二是在擺錘質(zhì)量和擺繩長(zhǎng)度不變的情況下改變擺幅;三是在擺錘質(zhì)量和擺幅不變的情況下改變擺繩的長(zhǎng)度。

以往，教師使用的教具不夠科學(xué)，操作不夠嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)驗(yàn)易出現(xiàn)誤差。因此，我們結(jié)合STEAM教育理念對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

一、改進(jìn)方案

實(shí)驗(yàn)器材

兩個(gè)大小不同的單擺擺錘、半圓形空白木板、支架、擺繩

裝置制作

1.3D打印兩個(gè)大小不同的中空擺錘（球形），在擺錘中間各安裝一枚強(qiáng)力磁鐵（如圖1）。

2.用半圓形空白木板制作中間刻度為0°，由中間往兩邊逐步增加度數(shù)的倒置量角器，分別在15°、30°、45°處標(biāo)記刻度并留好插孔。

3.測(cè)量擺繩長(zhǎng)度，在擺錘重心與支架相切處標(biāo)記長(zhǎng)度。例如擺繩端點(diǎn)到擺錘重心的長(zhǎng)度為20 cm，將擺錘靠在支架上，在擺錘重心與支架相切處標(biāo)記20 cm（如圖2）。

二、操作過程

實(shí)驗(yàn)一：在擺幅和擺繩長(zhǎng)度不變的情況下改變擺錘質(zhì)量

1.準(zhǔn)備擺幅為15°的單擺，擺繩長(zhǎng)度為30 cm。

2.利用秒表測(cè)量該擺在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

3.在擺幅和擺繩長(zhǎng)度不變的情況下，將中空球形小擺錘吸附在原擺錘上，測(cè)量其在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

4.在擺幅和擺繩長(zhǎng)度不變的情況下，將中空球形大擺錘吸附在原擺錘上，測(cè)量其在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

5.比較數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

以往的實(shí)驗(yàn)通過直接掛鉤碼或用橡皮泥包裹原擺錘的方式增加擺錘質(zhì)量，這樣會(huì)使擺錘重心改變、擺繩長(zhǎng)度變化（如圖3），導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤差。將中空球形擺錘吸附在原擺錘上，很好地利用了磁鐵的磁性（如圖4），提高了實(shí)驗(yàn)的精確度，節(jié)省了學(xué)生操作的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)二：在擺錘質(zhì)量和擺繩長(zhǎng)度不變的情況下改變擺幅

1.準(zhǔn)備好單擺，擺錘為原擺錘，擺繩長(zhǎng)度為30 cm。

2.將擺繩拉至倒置量角器15°刻度處，利用秒表測(cè)量該擺在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

3.在擺錘質(zhì)量和擺繩長(zhǎng)度不變的情況下，將擺繩拉至倒置量角器30°刻度處，測(cè)量該擺在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

4.在擺錘質(zhì)量和擺繩長(zhǎng)度不變的情況下，將擺繩拉至倒置量角器45°刻度處，測(cè)量該擺在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

5.比較數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

在以往的實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生無法準(zhǔn)確控制擺幅（如圖5）。在改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生使用帶有刻度的倒置量角器（如圖6），便于控制擺幅，實(shí)驗(yàn)操作更嚴(yán)謹(jǐn)。

實(shí)驗(yàn)三：在擺錘質(zhì)量和擺幅不變的情況下改變擺繩的長(zhǎng)度

1.準(zhǔn)備好單擺，擺錘為原擺錘，擺幅為15°。

2.將擺繩調(diào)至支架40 cm處，利用秒表測(cè)量該擺在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

3.在擺錘質(zhì)量和擺幅不變的情況下，將擺繩調(diào)至支架30 cm處，然后測(cè)量該擺在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

4.在擺錘質(zhì)量和擺幅不變的情況下，將擺繩調(diào)至20 cm處，然后測(cè)量該擺在10秒內(nèi)擺動(dòng)的次數(shù)并記錄。

5.比較數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

在以往的實(shí)驗(yàn)中，是將擺繩對(duì)折或直接測(cè)量擺繩的長(zhǎng)度（如圖7），在改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)中，利用支架刻度間接測(cè)量擺繩長(zhǎng)度（如圖8），降低了測(cè)量的難度，節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，使實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)單。

注意：為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中所有的數(shù)據(jù)需經(jīng)三次以上測(cè)量后取全部數(shù)據(jù)的平均值。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

方便高效。3D打印的中空擺錘能快速改變擺錘質(zhì)量，提高實(shí)驗(yàn)效率。

準(zhǔn)確無誤。倒置量角器和標(biāo)有刻度的支架使擺幅和擺繩的測(cè)量更加精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

（欄目編輯：周星星）15629EBE-B971-48F1-8B55-D29BC33A3B95