多功能摆具

一、教具的教学意义和价值：

我国古代数学家祖冲之说过：“亲量圭尺，躬察仪漏；目尽毫厘，心穷筹策。”的确，精心设计的实验教具，具引发学生思维的作用，充分调动学生的内因，发挥他们的积极性、主动性和创造性，自主地开展探究活动，产生科学问题，促进教学目标的完成。

单摆、多摆对学生来说，既熟悉又陌生，这部分内容学生当常识学习，但缺乏科学技能、科学情感、科学思想、科学素养的培养。如在教学中加入这直观形象的教具出现并演示，引导学生动手制作，让学生多感官感受体验，极易理解其中内容，让人记忆并保持持久，对于提高整节课的教学效果是很有帮助的。学生设计实验方案后，通过动手操作，引发学生的思考，引起思维的碰撞，孩子们的创新思维、发散思维就会得到充分的激活，为今后的学习奠定了基础。

二、教具装置图（图1、2、3、4、5、6、7、8所示）                                                     

三、仪器特点及用途

1、特点：本教具在小学科学五年级下册《摆的研究》、《做一个钟摆》、四年级上册《分离食盐与水的方法》和初高中中的摆共振与扭摆教学中使用，让一套教具在三个学段中均发挥作用。教具极其简单，学生一目了然，易于接受，容易操作，使对摆的实验探究实现质的飞跃。

2、用途：本教具可在教学中直接演示和指导学生模仿制作与操作的作用。

⑴ 单摆中，单摆的周期与摆绳长短、摆幅、摆锤轻重等因素的关系。

⑵ 提起弹球高度与弹跳距离的关系。

⑶ 摆的共振与能量守恒转化的实验（等摆锤和不等摆锤两种情况）。

⑷ 两种扭摆（三角形扭摆和双层扭摆）。

⑸ 傅科摆的演示。

⑹ 能作为酒精灯架用，灯架高低可调，好操作，放在讲台上，学生很容易看清楚。

通过实验，知道单摆的周期与摆绳长短有关，与摆幅大小基本上没有关系、与摆锤轻重无关。在一定条件下，两个摆会相互作用，发生共振与能量转化现象。两个摆之间还会发生扭摆现象。可模拟傅科摆实验，使学生理解地球是逆时针运转的。

四、制作材料

1、工字形不锈钢台架，上面横杠钻有六个小圆孔，左右各有三孔、两根带有螺纹的不锈钢圆横杠。两块摆锤，其中一块长摆锤，另一块短摆锤。6块圆环磁铁、1把伞骨架、6颗铜球，1颗弹球、1套酒精灯及高低调整架、1块石棉网、1圈环形灯架。回形针、红绳、钩环、螺母等若干。

五、制作方法

1、加工一块不锈钢“工”形主体台架，底板长方形，长约33厘米，宽23厘米，立柱高47厘米，宽5厘米，立柱上横杆长29厘米，相同分别间隔钻6个小圆孔。

2、加工两根带螺纹的圆杠柱，1根长26厘米（作为上面主要挂摆球的横杠），另一根长20厘米（作为扭摆的下梁），要与孔尺寸和螺母相匹配。

3、买1把新雨伞，把伞的下部、遮布、外围一半全切掉，剩下中间部分的伞骨架，可以打开，也可以合拢，作为模拟地球逆时针旋转的实验。

4、加工两块摆锤，一块长摆锤（近30厘米），一块短摆锤（20厘米）。

5、找6颗小铜球，作为主要的摆锤，1颗白色的弹球，作为摆的弹跳实验。

6、找6块圆环磁铁，作为摆的周期与摆锤轻重关系以及长摆锤上高、中、低不同位置挂上磁铁的实验。

7、回形针、钩环、红绳、酒精灯高低调整设施、螺母等若干。

8、安装4个脚。

六、使用方法

（一）单摆

 1、单摆的周期规律探究：六个实验项目。

 单摆的周期与摆绳长短的关系(图1，长摆绳)。以摆长为横轴，周期为纵轴作图，其形状类似于二次曲线（ｙ＝aｘX）。此时求出周期的二次方。然后改变坐标就可以得到一条通过远点的直线。由此可知，周期的二次方与单摆的摆长成正比，而与振幅的大小无关。这就是“摆的等时性”。

通过实验，我发现了规律：摆的快慢只与摆长有关，与摆的轻重没有关系，与摆的角度大小关系不大（超过25度略有差别）。实际摆长等于固定点到摆锤重心的距离。同一个摆，摆长越长，周期越大。反之就相反。

单摆的高度与弹跳距离的规律探究。把悬着的摆球抬高到90度之后松手，测量从手持的正下方到落点的距离。实验前，在记录纸上标出一点。固定弹球时，应一点一点地改变球距地面的高度，多做几次实验，抬上来的弹球离地面的高度要保持不变，也就是说不改变固定摆的夹子的位置。如把高设定为50厘米，把从距地面10厘米开始的高度每次增加5厘米。每改变一次高度值，都检查落点是否都在白点上，并把落点记录下来ｙ值。

（二）多摆

1、等摆长的共振与能量守恒循环的实验。在一条绕好的细线上，吊上六个相同的铜球摆，让两两摆绳长度相同（如两条摆绳30厘米，两条摆绳15厘米，两条短摆10厘米）。这时拿起一个铜球让它摆动，摆到将近静止时，另一个与之摆绳相同长度的摆，产生共振（通过细线传递）摆动起来。此后往复循环进行。这个摆的能量传递到另一个摆，体现能量的守恒（振幅大体相同不变化，如图9、10所示）。还可以在两条线之间连着一条线，这种情况下产生共振是摆的振动通过横线的柔韧弹性被传递的结果（如图所示）。

使用质量和体积均相同的铜摆球。长绳左摆和右摆，左中摆摆和右中摆，短绳左摆和右摆的摆长分别相同。

使一摆摆摆动时，由于能量交换，与之摆长相同的右摆也开始摆动起来。片刻之后，右摆停止摆动，A摆的动能已传给F摆，F摆的摆幅达到最大。然后，A摆重新开始摆动；再过片刻，F摆停止摆动。就这样，两个摆的运动反复多次交换，达到守恒。期间，其他摆均不动。同样，左中摆摆动时，只有右中摆会动。

振动频率相同的摆之间才会产生共振。各摆振动频率与摆的摆长有关。物体因共振而发声的现象叫做共鸣。

不等摆长的共振实验。一根木棒，一端可以系住固定，另一端可以调整自由摆动。在木棒上系三个长短不一的摆球，让其垂下。使棒一端左右摆动时，开始时小幅度摆动，逐渐增大幅度。当一个摆的摆动幅度逐渐增大时，其他摆的运动会逐渐共振。用手摇动时，幅度不要太大，使摆很快地来回摆动。如从小到大摆动，可以使所有摆同时摆动起来。

实验发现，摇动装有三个长度不同摆的木棒一端时可以发现，如果一个摆的摆动幅度变大，其他摆有时静止，有时运动，做不规则运动，不可能同时使几个摆大幅度摆动。

（三）扭摆实验

感兴趣研究，继续再作扭摆实验（如图所示）。

    扭摆相对于不锈钢杠来说作垂直摆动。若改变下面两个摆锤之间的吊线距离或上面三角形之间的底角，扭摆的运动速度是会发生变化。

⑴扭摆相对于不锈钢杠来说，是做垂直运动。如改变上下绳子之间的长度，观察扭摆的运动速度有变化。还可改变横杠之间的距离摆动情况又有不同。

⑵双层扭摆。如改变图中的上下摆绳的长度，然后观察此时此摆的运动会对另摆产生什么影响。

（四）傅科摆演示

设计带有转伞的多功能架子，从旋转台上观察单摆的振动面

根据傅科摆的原理，我用伞架作多功能旋转摆架，进行两个实验：先让摆前后摆动，再逆时针旋转转伞，细心观察可知：摆的振动面与旋转伞的方向相反。所以，只要能证明摆的振动面是顺时针旋转，也就可以推出地球是逆时针旋转。

由此，我放长摆绳，调整单摆的位置，使摆球的中心与桌子边缘保持平行。拿起摆球，轻轻放下单摆，使单摆的振动面与桌子的边缘线平行。认真观察振动面，相对于桌子边缘线有无位置变化。几次实验后发现在单摆摆动20多次后，略能清晰看出单摆的振动面渐渐顺时针旋转，由此推出地球是逆时针旋转。

说明：

本多教具实验分多层面进行：先制作单摆，做六个实验，发现摆的快慢与摆长有关，与摆的轻重没有关系，与摆的角度大小关系不大。可进行傅科摆实验，实验证明地球逆时针旋转。还可以进行共振、能量循环以及扭摆实验。还可创出更多形式的共振和扭摆实验，除此可作为酒精灯架用，且高低可调。所以，自制仪器虽然简单，但课堂上很实用，且用途多样，趣味无穷。