模拟经典实验 培育学生核心素养——自制“微型傅科摆” 验证地球自转现象

韩兴乾 喻梅琴

(1. 宁夏六盘山高级中学，宁夏 银川 750002； 2. 银川市第六中学，宁夏 银川 750002)

1 引言

许多经典物理实验能够利用简单的实验装置,揭示现象中蕴含的物理本质,并验证抽象的物理规律,测量且确定重要的物理参数．大多数经典物理实验所具有的巧妙的实验构思,简洁的实验装置,明显直观的实验现象无不显示物理学家所具有的的严谨的科学思维和精湛的科学实验探究能力．因此通过学习经典实验的实验设计原理,经历实验操作过程,重现实验现象,得出实验结论等环节,在培育学生的物理学科素养方面会起到重要的作用．

许多经典的物理实验,虽然结构简单,现象明显,但由于受客观条件限制,常规教学活动中不容易模仿,如卢瑟福的α粒子散射实验、卡文迪许的扭秤实验等．而“用傅科摆验证地球自转现象”的实验却可以通过对常规实验仪器的改进,重现原有的实验现象,验证相关的实验结论．笔者与学生一起反复分析研究,试验比较,终于制作出了常规条件下的“傅科摆”,得到了较为明显的实验现象,真实地验证了地球的自转现象．通过引导学生经历“微型傅科摆”实验装置制作过程,亲眼目睹运用自制“微型傅科摆”实验装置验证地球自转现象,不但极大的激发了学生学习物理的兴趣,更重要的是进一步培养并提升了学生在物理观念、科学思维、科学探究、科学价值和社会责任等方面的物理学科核心素养．

2 制作“微型傅科摆”,探究地球自转现象

2.1 提出问题,分析实验原理

笔者在进行人教版教材选修3-4第11章第4节“单摆”的教学活动中,发现许多学生对课本中一幅关于法国物理学家莱昂·傅科利用单摆验证地球自转实验的插图(如图1)产生了浓厚的兴趣．同学们关注的焦点问题主要有两个：一是用单摆证明地球自转的实验原理是什么;二是是否能用实验室的单摆重复傅科摆的实验．学生的满腔热情和充满求知欲的眼神,促使笔者对傅科摆的相关问题进行了全面深入的研究．通过查阅资料,整理思维,选择了较为简便的科学理论方法,借助现有的器材,耐心地给学生讲解了利用单摆验证地球自转现象的实验原理．

图1

为了让学生理解“傅科摆”实验原理,笔者首先利用学生实验用的单摆,演示并讲解了单摆的摆球由于惯性会保持原有的摆动方向不变．如图2为学生实验用单摆,刚开始让摆线在一个确定的竖直平面内摆动(即摆线摆动平面与竖直参考面平行),在摆球摆动过程中 保持悬点位置不动而转动铁架台,通过学生的观察比较,发现单摆的摆动平面并没有随之变化,还保持着摆线的摆动平面与原来竖直参考面平行,如图3所示．接下来再利用地球仪揭示了由于地球的自转,引起单摆摆线摆动平面相对地面的转动．如图4所示,用红线表示地球表面上的一条经线,小旗的竖直旗面表示单摆的摆线摆动平面．如果单摆摆线摆动平面方向保持不变,则地球自转一段时间后,单摆摆线摆动平面相对地面会发生一定的转动,如图5所示．若以单摆摆线的摆动平面为参考面,显然是地面发生了转动．通过讲解分析,演示观察,使学生理解了利用单摆验证地球自转的实验原理及使用的实验方法．

图2 图3

图4 图5

2.2 初步常规模拟,确定实验方案

2.2.1 初步探究,发现问题

在了解了运用傅科摆研究地球自转现象的实验原理后,有学生提出:能否运用常见的单摆进行傅科摆的实验现象的模拟,真实有效的验证地球的自转现象呢?面对学生不舍的研究精神,笔者决定带领学生进行相关实验研究,实现经典实验再现,亲自验证地球的自转现象．于是组织部分学生成立了验证地球自转现象的实验研究小组,引导他们自己动手设计实验方案,安装调试实验装置,各自进行试验验证．几天后,各研究小组都遇到了各种各样的困难,没有得到明显的实验现象．通过汇总整理,逐步明确学生的探究实验主要存在以下几个方面的问题: (1) 实际单摆摆幅衰减很快,持续摆动时间较短; (2) 摆球运动不规范,很容易出现扰动; (3) 实验现象不明显,几乎观察不到摆球摆动平面相对地面的转动情况等等．

2.2.2 分析比较,改进方案

针对前期实验研究过程中发现的问题,笔者引导学生查阅有关傅科摆的文献资料,将学生实验用的单摆和傅科摆进行全面的对比,找出它们的不同之处,进一步分析这些差别对实验效果的影响．

很快学生就找到了自己实验中的单摆和傅科摆在结构上的几个明显差别: (1) 摆长不一样,学生实验用的单摆摆长1 m左右,傅科摆的摆长可达到10 m; (2) 摆球质量差别很大,学生实验用的摆球质量为 0.03 kg左右,而傅科摆的摆球质量可达几十kg; (3) 悬点的固定方式不同,学生实验是将摆线直接系在铁架台的横梁上,而傅科摆的悬点有特定的固定方式,不会使得摆线在摆动中受到悬点的扭转力而改变摆动平面; (4) 实验启动方式不同,学生实验通常是用手将单摆拉开一定的摆角,由静止释放,而傅科摆是用细线系住摆线末端拉开一定摆角并固定细线,待摆球静止后烧断细绳,释放摆球．

通过进一步比较分析,最终搞清楚了傅科摆的“与众不同”并不是哗众取宠、吸人眼球的故意造作,而是为了取得清晰的实验观察现象的必然要求．比如摆长的增长可以增加摆球的摆动周期,从而使得观察者有较为充足的时间观察摆动平面的转动情况;大质量的摆球惯性大,不容易受外界干扰,同时会增加摆球的最大机械能,减小阻力带来能量损失的影响,延长摆球的摆动时间;巧妙的实验启动方式可以避免释放时手对摆球运动的影响,从而保证摆球在同一个竖直平面摆动．

通过以上的比较分析,学生弄清楚自己实验不成功的原因．于是决定通过对常规实验装置进行改进,利用现有空间场地,最大限度的增加摆长和摆球质量,改进悬点的固定方式,模拟傅科摆实验,再次进行真实有效地验证地球自转现象．

2.3 改进实验装置,再现经典实验

2.3.1 制作装置,安装调试

通过对现有的器材整理和取舍,我们选择在教室的天花板上安装固定装置,制作成一个摆长约为2.6 m的“微型傅科摆”．用常用的铅锤线圆锥形状金属吊锤代替摆球(如图6),加以适当的配重增加惯性和摆动的平衡性,摆锤的总质量可达到2 kg左右．摆线选用结实耐用,质量较小的细绳．摆线悬点尽量采用对摆绳的摆动平面影响较小的固定方式(如图7)．采用傅科先生“烧细绳”的方式(如图8)启动实验．为了更加直观明显地显示摆球摆动平面相对地面的转动,采用“图线对比法”,将一张白纸固定在静止的摆球正下方,在白纸上过摆球正下方的点,沿南北方向画一条标识线,其它几条直线作单摆摆线摆动平面转动的参考线,几条直线的交点置于摆锤静止时的正下方(如图9)．通过前期试验对比,发现让单摆沿着南北方向开始摆动,实验现象比较明显．

图6

图8

图9

2.3.2 经典再现,实证地球自转

通过反复调试,由师生亲手制作的一个“微型傅科摆”终于“诞生”了．这个单摆虽然连续摆动的时间有限,摆动幅度衰减的较快,但在前期稳定摆动的约一小时内,还是可以明显地观察到摆线摆动平面相对地面的转动情况,取得了预期的实验效果．为了观察并记录这一“漫长”实验现象的渐变过程,笔者对“微型傅科摆”的摆动全程进行了视频录像记录,经过后期编辑处理,可以使大家在较短的时间内,通过视频快进和暂停功能,更加便捷清晰的观察到不同时间段内摆线摆动平面相对地面的转动情况,从而对实验过程和实验现象有了一个更加清晰的认识．图10和图11为实验开始时摆锤沿着南北方向摆动的情况,图12和图13反映了经过30 min左右摆锤的摆动情况,与初始运动情况相比,摆线的摆动平面相对地面发生了明显转动．图14和图15反映了经过1 h左右摆锤的摆动情况,与初始运动情况相比,摆线的摆动平面相对地面发生了更为明显的转动．

图10

图11

图12

图13

图14

图15

研究小组的同学把录制的实验过程视频给全班同学进行了播放展示,结合实验装置给他们讲解了如何利用单摆研究地球自转现象的,帮助大家进一步确立了正确的宇宙星球运行的物理观念．同学们的赞叹更加提升了研究小组成员的成就感和自豪感,在他们的心中

播下了收获希望的种子,为他们以后积极投入科学研究奠定了坚实的精神基础．

2.4 明确研究意义,培育核心素养

在“微型傅科摆”的制作过程中,我们在追求实验现象明显,实验结论准确的同时,更重要的是积极引导学生理解莱昂·傅科利用单摆研究地球自转现象实验的重要历史意义,学习并感悟该实验所运用的科学研究方法．同时引导学生亲历实验研究的全部过程,进一步培养学生多方面的物理核心素养,为学生的全面发展打下坚实的基础．

通过学习总结,学生进一步理解了莱昂·傅科利用单摆验证地球自转现象实验的非凡意义,知道傅科摆实验是世界科学发展史上具有里程碑意义的事件．傅科利用最简单的实验装置,最巧妙的实验原理,间接的推证了地球“在自转”这一客观事实,突破了人类“不识庐山真面目”的认知局限性,开辟了人类认识宇宙世界的新纪元．莱昂·傅科运用极为简单的装置,揭示复杂抽象的自然现象规律的实验研究方法,被以后的许多科学家所推崇和借鉴,已成为物理典型实验方法中一颗璀璨耀眼的明珠,熠熠生辉,永不凋零．

通过经历对傅科摆原理的分析讨论,对“微型傅科摆”实验装置的制作调试,对实验现象的观察,实验结果的分析论证,使得参与实验研究活动的学生进一步确立了科学的宇宙观念,提升了他们比较分析,解决实际问题的物理科学思维能力和多方面的科学探究能力,引导并帮助他们树立了不轻信盲从,科学严谨的态度和责任．通过展示实验过程和实验结果,使学生再一次体会到通过不懈努力获得最终成功的喜悦,激发学生热爱科学,献身科学的责任感．