唐昌國++吳柳燕

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.19.147

摘 要 秋千擺模型是物理教學(xué)中常見的模型，蕩秋千以及使秋千越蕩越高的過程蘊(yùn)含著豐富的物理知識。情景體驗式秋千擺通過小機(jī)器人模擬真人蕩秋千的過程，在物理課堂上，既可以作為新知識的導(dǎo)入，又可以作為學(xué)習(xí)完相關(guān)知識后的鞏固。由此可見，情景體驗式秋千擺在物理教學(xué)中應(yīng)用廣泛，是研究機(jī)械振動、能量守恒等物理知識的平臺。

關(guān)鍵詞 秋千擺；實驗；物理

中圖分類號：G623.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）19-0147-02

秋千擺模型是物理教學(xué)中常見的一種模型。蕩秋千是一種自激振蕩現(xiàn)象，蕩秋千以及使秋千越蕩越高的過程蘊(yùn)含著豐富的物理知識。

1 實驗原理

蕩秋千以及使秋千越蕩越高的過程主要涉及的物理知識有阻尼振動、共振、力矩做功、功能原理等。

阻尼振動 簡諧振動是一種理想化的振動。秋千擺擺動的過程不可避免地要受到摩擦和其他阻力，即受到阻尼振動的作用，它克服阻尼的作用做功，機(jī)械能逐漸減小，從而振動的振幅也逐漸減小。這是秋千擺不受外力驅(qū)動下會漸漸停下來的原因。

共振 外力要對秋千擺做功，最重要的條件是外力推引要和秋千擺動的節(jié)奏相合。由于秋千的擺動和外力的推引都有一個節(jié)奏，只有將兩個節(jié)奏結(jié)合在一起，產(chǎn)生共振，秋千才會越來越高。

力矩做功 秋千擺是一個力學(xué)系統(tǒng)，受到向下的外力和懸掛點(diǎn)的約束力兩個外力的作用，其方向總是沿著秋千繩和秋千擺的運(yùn)動方向垂直。所以只有重力在做“推引”，蕩秋千時人的軸線是沿著秋千繩的，這樣作用于重心的重力在秋千上升時，對懸掛點(diǎn)的力矩就比下降時的小，所以一上一下力矩所做的總功為正。由于秋千擺每一來回都有能量輸入，這使得秋千擺越蕩越高。

功能原理 質(zhì)點(diǎn)系機(jī)械能的增量等于外力所做的功與非保守內(nèi)力的功的代數(shù)和。蕩秋千時外力雖然不做功，但機(jī)器人體型變化時非保守內(nèi)力做功。只要一次擺動中非保守內(nèi)力做正功，系統(tǒng)的機(jī)械能必定增加。當(dāng)機(jī)器人在最低點(diǎn)立起來時，機(jī)器人做正功W1，而在最高點(diǎn)又做負(fù)功W2。

定性地討論W1+W2之和即A—C過程中（如圖1所示）機(jī)器人對系統(tǒng)做功之和，由于在最低點(diǎn)時具有向心加速度，故機(jī)器人立起來所需的力大于機(jī)器人所受的重力，因此有W1>mgΔL，而W2=-mgΔLcosθ′。由于cosθ′<1，故W1+W2>0。所以，由于內(nèi)力做工系統(tǒng)獲得能量，從而提高系統(tǒng)的機(jī)械能，機(jī)械能使秋千蕩得越來越高。

結(jié)合圖1秋千激蕩原理圖進(jìn)行詳細(xì)分析。A是秋千擺系統(tǒng)開始擺動時系統(tǒng)質(zhì)心所處的位置，在A點(diǎn)時速度為零，擺角為θ；B點(diǎn)為秋千往下擺過θ角時到達(dá)的點(diǎn)，此時機(jī)器人站起來，系統(tǒng)質(zhì)心升高，升高的距離為ΔL；到達(dá)B′然后繼續(xù)向上擺，擺過θ′角到達(dá)最高點(diǎn)C′后，機(jī)器人彎腰（往前擺或往后擺）下來，質(zhì)心降低。如此循環(huán)往復(fù)，則系統(tǒng)的質(zhì)心將不斷升高，原因如下。

2 實驗設(shè)計圖及實物圖（圖2、圖3）

3 演示實驗的操作步驟

體驗者裝好遙控設(shè)備，在情景體驗式秋千擺附近進(jìn)行體驗。開始時，秋千擺和機(jī)器人均處于平衡位置，保持靜止不動，然后通過體驗者的起立或蹲下來同步操控機(jī)器人的起立或彎腰（往前擺或往后擺）的動作，最終使得整個秋千擺擺動起來，并且使其擺動的振幅越來越大。

4 物理教學(xué)中的使用

情景體驗式秋千擺通過小機(jī)器人模擬真人蕩秋千的過程，把真人蕩秋千的過程搬到物理課堂，經(jīng)過學(xué)生的親身體驗，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而對蕩秋千過程蘊(yùn)含的物理知識產(chǎn)生認(rèn)知需要，進(jìn)而在教師的引導(dǎo)下學(xué)習(xí)其豐富的物理知識。具體來說，該裝置主要有以下兩方面的應(yīng)用。

新知識的導(dǎo)入 在學(xué)習(xí)功能關(guān)系、動能和勢能轉(zhuǎn)換的知識或者單擺的內(nèi)容的時候，可以使用該裝置進(jìn)行教具演示導(dǎo)入，從而引起學(xué)生注意，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生對新知識的認(rèn)知需要，進(jìn)而形成對將要學(xué)習(xí)新知識的學(xué)習(xí)動機(jī)。

知識的鞏固 在學(xué)習(xí)功能關(guān)系、動能和勢能轉(zhuǎn)換的知識或者單擺的內(nèi)容后，可以利用該裝置來演示相關(guān)過程，從而引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的知識來分析蕩秋千的每個過程，以及秋千越蕩越高的原因，進(jìn)而達(dá)到加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，增強(qiáng)應(yīng)用知識分析和解決問題的能力并鞏固知識的目的。通過運(yùn)用教具，引導(dǎo)學(xué)生從“知”的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)“未知”，從而真實體驗物理理論，加強(qiáng)對其了解，不再覺得物理理論高不可攀，在學(xué)習(xí)中真正主導(dǎo)學(xué)習(xí)過程，進(jìn)行深層探究，成為學(xué)習(xí)的主人，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，樹立學(xué)習(xí)信心。

5 裝置使用效果及特點(diǎn)

情景體驗式秋千擺結(jié)構(gòu)簡單，大部分材料容易選取、易于操作，便于制作推廣。該裝置通過小機(jī)器人模擬真人蕩秋千的過程，具有形象生動、直觀性強(qiáng)、實驗現(xiàn)象明顯、可見度大、實驗演示成功率高、可重復(fù)操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該裝置操作非常簡單，體驗者只要通過起立或蹲下，便可同步操作智能機(jī)器人的行為，從而實現(xiàn)蕩秋千的過程。通過體驗者的親自體驗，幫助學(xué)生在頭腦里形成正確的物理圖景，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對于進(jìn)一步探索或驗證相關(guān)的物理規(guī)律起到很好的鋪墊作用。

6 未來展望

秋千擺模型是物理教學(xué)中一種常見的模型，運(yùn)用廣泛，雖然在現(xiàn)實生活中經(jīng)常能看到真實的秋千，但是生活中的秋千比較大型，不宜把如此大型的秋千直接搬進(jìn)物理課堂。于是構(gòu)想把大型的秋千放小，做成一個秋千擺模型，再帶入課堂，輔助教學(xué)。情景體驗式秋千是獨(dú)立創(chuàng)作的，該裝置是一種創(chuàng)造性的勞動。情景體驗式秋千擺設(shè)計中最大亮點(diǎn)是包含一個智能機(jī)器人，通過機(jī)器人的行為來模擬真人蕩秋千的行為，將電子技術(shù)很好地運(yùn)用到該裝置中，體現(xiàn)了學(xué)科的聯(lián)合，具有良好的創(chuàng)新性。該裝置還可以應(yīng)用于健身房中以及娛樂場所中。在今后的教學(xué)中增加這種模型的應(yīng)用次數(shù)，將會使學(xué)生形成新的物理學(xué)習(xí)觀，將物理知識變得真實，讓學(xué)生在體驗與快樂中學(xué)習(xí)?！?/p>

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