從單擺到物理擺

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單擺由一條不計質量的擺線及一個不計形體尺寸的擺錘組成,繫住擺線一端且讓質量的擺錘以小角度擺動,探究可觀察的擺動週期與各參數間的關係;若是擺錘質量分散,例如一支質量均勻分布的細棒,改變擺動之支點,探究可觀察之擺動週期與支點位置的關係。

實驗材料:

  1. 擺錘(例如鋼球或高爾夫球)x1顆
  2. 細線x1卷
  3. 碼表
  4. 細木棒(~100公分)x1支
  5. 電鑽x1把
  6. 圖釘x1支


現象說明

單擺擺動時,觀察記錄擺動週期與擺線的關係;接著細木棒的擺動週期與支點的關係。


探究問題

  • 2.1 單擺擺動週期與擺動角度的關係T(θ)?
  • 2.2 單擺擺動週期與擺錘質量之關係T(m)
  • 2.3 單擺擺動週期與擺線長度之關係T(Ɩ)?
  • 2.4 木棒擺動週期與支點的關係T(d)?
  • 2.5 木棒擺動週期與木棒形體和質量之間的關係?
  • 2.6 前述兩項實驗還有哪些可能的探討變數?


實作項目

  • 3.1 設計與執行單擺擺動週期與相關變數之間的關係之各項實驗:
  • 3.1.1 探究T(θ)
  • 3.1.2 探究T(m)
  • 3.1.3 探究T(Ɩ),轉化T對Ɩ2的關係圖。
  • 3.2 設計與執行單擺擺動週期與相關變數之間的關係實驗:
  • 3.2.1 探究T(d)


分析與結論

  • 4.1 能從前述所記錄數據與繪製的數據圖中,分析出相關趨勢,結論出可能之定性關係。
  • 4.2 能進一步從記錄之數據與繪製之數據圖中,粹取出相關重要物理量,進一步繪製關係圖,結論出定量關係式。
  • 4.3 能推導相關數據,並將理論數據與實驗數據繪圖比較,例如T(d)。
  • 4.4 能從所記錄數據與繪製的數據圖中,瞭解還有額外需要設計實驗與執行的項目。


教學目標與評量

  • 5.1 能實際操作、記錄數據、繪製圖表。
  • 5.2 能分析數據所表現之結果。
  • 5.3 能推導物理擺之擺動週期對轉軸到質心的關係式,並能與實驗數據作比較。