“超重與失重”中DISLab實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

張先煒

貴州省貴陽市清華中學(xué)(550025)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》指出物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn),建構(gòu)物理模型,應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具,通過科學(xué)推理和論證,形成系統(tǒng)研究方法和理論體系[1]。人教版高中物理教材中的“超重與失重”這一節(jié)內(nèi)容較好地囊括了以上要點(diǎn)。在教學(xué)中,“思考與討論”項(xiàng)目欄介紹了DISLab演示實(shí)驗(yàn)[2],學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重與失重現(xiàn)象,該實(shí)驗(yàn)中DISLab可將數(shù)據(jù)可視化,但也有一些不足,為此筆者在實(shí)際教學(xué)中對(duì)DISLab實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

1 設(shè)計(jì)背景

在“超重與失重”這一節(jié)的“思考與討論”環(huán)節(jié)中,人站在力傳感器上完成下蹲動(dòng)作,要求學(xué)生觀察計(jì)算機(jī)采集的圖線。而實(shí)際教學(xué)中,許多學(xué)校沒有配備傳感器等實(shí)驗(yàn)器材,部分教師選擇忽視此部分教學(xué)內(nèi)容或是播放相關(guān)實(shí)驗(yàn)視頻,讓學(xué)生分析超重與失重的情況。有的學(xué)校配備有DISLab傳感器器材,教師們往往用力傳感器掛重錘的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在DISLab軟件中自動(dòng)繪出F-t圖像,然后回顧F-t圖像對(duì)應(yīng)的重錘運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即向上加速、向上減速、向下加速、向下減速[3],靠回顧缺乏證據(jù)的時(shí)效性,即此時(shí)F-t圖像對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算機(jī)中沒有顯示出來。為此,筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 制作材料

鐵架臺(tái)1套、2根橡皮筋、力傳感器1個(gè)、重錘、軟鐵絲、細(xì)線、無線分體式位移傳感器(發(fā)射)1個(gè)、有線分體式位移傳感器(接收)1個(gè)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)線、電腦。

2.2 實(shí)驗(yàn)組裝

將有線分體式位移傳感器(接收)豎直固定在鐵架臺(tái)下端,傳感器接收端豎直朝上。將無線分體式位移傳感器(發(fā)射)與力傳感器橫豎交叉疊放,用橡皮筋交叉繃緊將兩傳感器固定,無線分體式位移傳感器的發(fā)射端及力傳感器掛鉤的一端同處在下端,用數(shù)據(jù)線將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦連接在一起,手持力傳感器使得掛鉤將重錘豎直懸掛,讓無線分體式位移傳感器的發(fā)射端對(duì)準(zhǔn)有線分體式位移傳感器的接收端。實(shí)驗(yàn)器材組裝后的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

用該實(shí)驗(yàn)裝置演示超重與失重現(xiàn)象。先點(diǎn)開DISLab軟件系統(tǒng)中的通用版本,設(shè)置F-t圖像,x-t圖像,如圖2所示。

圖2 DISLab傳感器軟件界面截圖

2.3.1 重錘向上運(yùn)動(dòng)

鼠標(biāo)點(diǎn)擊采集控制欄的“開始”按鈕。位移傳感器的發(fā)射端和接收端對(duì)準(zhǔn)后,手持力傳感器快速豎直向上提重錘,直到重錘停止運(yùn)動(dòng)。電腦上自動(dòng)繪制出F-t圖像,以及同步繪制出重錘向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的x-t圖像,點(diǎn)擊屏幕中“其它處理”按鈕,對(duì)x-t圖像進(jìn)行求導(dǎo)處理,計(jì)算機(jī)繪制出v-t圖像,在電腦屏幕上即可得出F-t圖及對(duì)應(yīng)的v-t圖。

2.3.2 重錘向下運(yùn)動(dòng)

鼠標(biāo)點(diǎn)擊采集控制欄的“開始”按鈕,位移傳感器的發(fā)射端和接收端對(duì)準(zhǔn)后,手持力傳感器懸掛重錘從高處快速豎直向下運(yùn)動(dòng),直到重錘停止運(yùn)動(dòng),電腦上自動(dòng)繪制出F-t圖像,以及同步繪制出重錘向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的x-t圖像,點(diǎn)擊屏幕中“其它處理”按鈕,對(duì)x-t圖像進(jìn)行求導(dǎo)處理,計(jì)算機(jī)繪制出v-t圖像,在電腦屏幕上即可得出F-t圖及對(duì)應(yīng)的v-t圖。

2.3.3 重錘自由落體運(yùn)動(dòng)(近似)

為了減輕下落到地面時(shí)重錘和傳感器的碰撞力度,用軟鐵絲替代細(xì)線,落到地面時(shí)將重錘懸掛在力傳感器的掛鉤上,手持傳感器于高處,在實(shí)驗(yàn)桌上墊上軟的墊子或是厚衣服。點(diǎn)擊“開始”按鈕,由靜止釋放力傳感器,使得傳感器和重錘自由下落,重錘的運(yùn)動(dòng)可近似看成自由落體運(yùn)動(dòng),電腦中自動(dòng)繪制出F-t圖像。

3 實(shí)驗(yàn)分析

(1)重錘向上運(yùn)動(dòng)時(shí),計(jì)算機(jī)中繪制出的F-t圖、x-t圖、v-t圖如圖3所示。

圖3 重錘向上運(yùn)動(dòng)中DISLab記錄的相關(guān)圖像

(2)重錘向下運(yùn)動(dòng)時(shí),計(jì)算機(jī)中繪制出的F-t圖、x-t圖、v-t圖如圖4所示。

(3)重錘做自由落體運(yùn)動(dòng)(近似)時(shí),計(jì)算機(jī)中繪制出的F-t圖,如圖5所示。

圖4 重錘向下運(yùn)動(dòng)中DISLab記錄的相關(guān)圖像

學(xué)生分析這些從電腦中得到的數(shù)據(jù)(即實(shí)驗(yàn)證據(jù)),從圖像中獲取有用信息,并處理信息,完成表1的記錄。

圖5 完全失重時(shí)對(duì)應(yīng)的F-t圖

表1 實(shí)驗(yàn)探究現(xiàn)象記錄表

4 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)的DIS實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可視性[4],以往DIS實(shí)驗(yàn)中只能看出拉力隨時(shí)間變化關(guān)系,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)在F-t圖的界面上同步生成了v-t圖,將重錘運(yùn)動(dòng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)可視化地呈現(xiàn)在界面上,學(xué)生分析物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)不用回顧,直接從生成的圖中解讀相關(guān)信息,獲取和處理信息的能力得到提升。