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傅科摆演示实验装置的制作及其在大学物理教学中的作用

2017-04-01崔松国

物理通报 2017年4期
关键词:摆锤圆盘激光器

崔松国

(延边大学护理学院 吉林 延边 133000)

傅科摆演示实验装置的制作及其在大学物理教学中的作用

崔松国

(延边大学护理学院 吉林 延边 133000)

介绍一种傅科摆演示实验装置的制作过程及对传统傅科摆实验的改进,该研究改善了传统傅科摆仪器体积庞大、实验时间过长、在课堂中很难一次完成有效的实验的缺点,同时,考虑到在傅科摆的摆锤与地面之间观察实验效果并不是很直观,给演示实验教学工作带来了很大的困难,因此,专门制作与研究了此演示仪器.提高了实验结果的精确度,更好地为学生进行课堂教学演示,是教师演示和学生学习傅科摆的有力助手.

傅科摆 演示实验 制作研究 物理教学

1 引言

傅科摆实验是大学物理演示实验课中一个不可或缺的实验,傅科摆利用物体的惯性为学生直观呈现地球的自转现象.然而,传统的傅科摆实验仪器的体积非常庞大,实验时间过长,而市面上一些模拟傅科摆的仪器虽然具备了体积小的优点,但由于在傅科摆的摆锤与地面之间观察实验效果并不是很直观,为此,我们将半导体激光器技术与傅科摆实验相结合,研究并设计了一种可以发射出激光的摆锤,这样在摆锤摆动过程中十字激光射在圆盘上,可以很直观地发现摆动平面沿顺时针方向缓缓转动,摆动方向不断变化.本仪器整体设计严谨,符合理论分析,且较传统的傅科摆仪器现象更为直观明显,测得的实验数据更加准确,可以有效地减小由于肉眼观察带来的实验误差,有利于演示实验课教师更高效率地传授教学内容,对提高课堂学习效率起到十分重要的作用.

2 工作原理

2.1 傅科摆的工作原理——惯性

傅科所做的摆是一个用来演示地球一直在自转的实验装置.这种摆也因此被命名为“傅科摆”.我们都知道,地球是在自转——相对于遥远的恒星在自转.同样的来说,由于惯性的存在,傅科摆的摆锤相对于我们所选取的参照物的运动方向是不变的,当地球以及用来吊起摆锤的架子发生转动时,傅科摆的摆锤仍在原有的平面内运动.那么会发生什么现象呢?若站在傅科摆附近的地球表面上,显然会发现摆锤摆动的平面在一点点地转动,它所转动的速度应该大约是钟表时针转动的角速度的一半,也就是说,每个小时傅科摆的摆锤运动的平面都顺时针转动15°[1].

图1 北半球傅科摆摆动平面的旋转轨迹

2.2 设计思路

我们所设计的傅科摆主要是将半导体激光器和传统的傅科摆仪器相结合,取长补短,利用3节9V电池带动十字半导体激光器,那么由激光器发射出来的十字激光打在实验圆盘上,使得观察人员可以清晰地观察到傅科摆的摆锤摆动的原有平面以及在摆动过程中平面所发生的偏转现象,解决了传统傅科摆实验现象不易观察的问题.

3 装置的制作过程

3.1 元件及材料的选择

傅科摆仪器主要是由悬挂支架、轻质细绳、网状口袋、弹力球、黏土制作的球、十字半导体激光器、电路板、3节9V电池构成,具体的装置图如2所示.图3为傅科摆三维立体图.

3.2 仪器的制作

3.2.1 电源外壳的制作

选取生活中废弃的牙线棒外盒,利用黏土在外壳内部制作一个电池槽.将3节9V电池串联相接,用来提供激光器发光的电源.如图4所示.

图2 实验装置图

图3 傅科摆三维立体图

图4 外壳及电池槽的制作及电池的连接图

3.2.2 电路板的制作

本仪器电路如图5所示.

图5 仪器电路图

电路板制作时按照先后顺序为:首先需要预处理覆铜板,选用黑色油性笔在已选取的覆铜板上按照设计好的电路图描绘出PCB板电路图,腐蚀PCB板所用的腐蚀液选用浓盐酸、浓双氧水、蒸馏水并按照1∶2∶4的比例配置,然后腐蚀已经制作好的PCB板;待PCB板上的铜完全被腐蚀掉以后,再用酒精把覆盖在线路板上的油墨清洗干净,将洗干净后的PCB板风干,涂上松香,将PCB板钻孔和焊接电子元件[2],PCB板的实物图如图6所示.

图6 PCB板的实物图

3.2.3 整体安装

制作傅科摆仪器底部圆盘.选取木质圆桌一个,画出一个标有刻度的360度圆盘,然后将打印出来的彩色圆盘纸与制作好的圆桌粘贴在一起,实物图如图7所示.实验室选取屋顶作为支架的安装点,然后将轻质绳子系在支架的一端,绳子的另一端系在摆锤上,摆锤和绳子的连接选用轻质网袋,这样做的目的是为了在更换电池时方便拆卸,支架实物图如图8所示.

图7 圆盘的实物图

图8 支架实物图

4 实验数据记录及分析

4.1 第一组对比实验数据及分析

4.1.1 实验数据

(1)摆锤使用质量为0.350kg的弹力球,摆长长度为365.3cm,称为傅科摆1,实验数据如表1所示.

表1 傅科摆1实验数据

(2)摆锤使用质量为0.190kg的黏土球,摆长长度为365.3cm,称为傅科摆2,实验数据如表2所示.

表2 傅科摆2实验数据

(3)摆锤使用质量为4kg的铅球,摆长长度为365.3cm,称为傅科摆3,实验数据如表3所示.

表3 傅科摆3实验数据

4.1.2 数据分析

同一高度、不同质量的摆锤之间的数据对比,可以发现,质量越大的摆锤摆动的时间越长,从表1和表3可以明显观察到质量大的摆锤摆动时间较长,所得到实验现象更加明显、直观,而改进后的傅科摆的实验数据误差较其他两组实验小得多,利用了激光打在圆盘上这种方法可以更精确地完成实验数据的记录.

现在,我们将利用改进后的傅科摆进行不同高度的两组实验对比.

4.2 第二组对比实验数据及分析

4.2.1 实验数据

(1)摆锤使用0.190kg黏土球,摆长长度为365.3cm,即傅科摆2,实验数据如表2所示.

(2)摆锤使用0.190kg黏土球,摆长长度为356.3cm,称为傅科摆4,实验数据如表4所示.

表4 傅科摆4实验数据

4.2.2 数据分析

同一质量的摆锤,不同高度进行测量时,可以发现,绳子的长度越长,也就是高度越低,摆锤的摆动时间越久,得到的实验现象越明显,同时也可以发现改进后的傅科摆摆锤的准确度在不同高度下仍然是比较精确的,但是在高度越低的条件下,实验数据误差越小.

5 在大学物理教学中的作用

(1)可以使学生获得丰富的感性认识,加深学生对物理概念、原理和定律的理解,激发学生学习物理的兴趣.在操作实验过程中,特别是一些探索性的实验,学生对于观察到的现象,即实验所揭示的物理事实感到惊奇,从而激发学生的好奇心与求知心理,促使他们去寻求答案,增强学习物理的兴趣[3].

(2)可以培养学生观察和实验的能力,发展学生的智力.演示实验不仅能让学生理解知识,还能让学生提高兴趣,启发他们的创新思维.让学生们在体会、理解演示实验过程中产生亲自动手去做的热情,引导学生的创新实践活动.演示实验室可以提供一个创作灵感得以发挥的平台,以“活跃校园科技学术气氛,增强学生科技创新意识,提高学生科技实践能力,培养科技创新人才”为指导思想,开展具有知识性、学术性、实践性的课外科技学术活动,充分调动学生参与的积极性,让他们有机会去探索、去实践.演示实验室还可以为学生提供技术指导,提供非常规仪器,提供特殊加工等.给学生提供了创新实践活动的条件,提高了学生的创新实践能力[4].

(3)可以使学生初步了解物理学的研究方法,培养学生实事求是的科学态度和遵守纪律、爱护仪器的优良品质[4].物理实验是科学实验,科学实验就应当具备科学的态度和科学的研究方法.实验过程中要求学生实事求是,尊重客观规律,忠于实验数据,不能有丝毫的弄虚作假行为.同时要意识到实验并不是一帆风顺的,要求学生善始善终,具有不怕挫折、坚韧不拔的追求科学的精神,从而达到陶冶情操、锻炼性格、培养学生良好的科学作风和科学精神的目的.[4]

(4)有利于教师更好地开展实验教学工作.引导学生更好地体会地球自转的物理现象,减少了传统的实验仪器操作时间,利用激光显示直观地将偏转现象呈现在圆盘上,同时在傅科摆实验的同时教师可以为学生们进一步讲解激光器的工作原理及基本构造,做到一个实验学习多个物理知识[5].

总之,新型傅科摆演示实验装置充分利用了生活中的废旧物品,在授以学生知识的同时也将勤俭节约、废物利用的情感态度和价值观传授给学生,让学生在步入大学生活后仍要将中华民族的传统美德发扬下去,做一名优秀的大学生,合格的物理人才.

1LigangAndynamicssimulationandanalysisusingMATLABFoucaltpendulumIsthe2004campaignmechanicsandpracticeArticle26

2 孙岩,顾广瑞,何宇红.自制平行光半导体激光器.电子制作,2014(09):17

3 姜成果. 物理教学中演示实验的作用. 大学物理实验,2006(03):111~114

4 何宇红,王智慧. 物理演示实验中培养大学生科技创新能力. 物理教师,2009(02):64~65

5 陈刚.傅科摆轨道的计算与讨论.大学物理,1993(06):6~8

崔松国(1962- ),男,副教授,主要从事大学物理教学.

2016-10-21)

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