談 敏，丁益民，楊艷娟，張莉麗，鄭一丹

（湖北大學(xué)，湖北武漢 430062）

基于DISLab平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

談 敏，丁益民，楊艷娟，張莉麗，鄭一丹

（湖北大學(xué)，湖北武漢 430062）

利用“數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”（DISLab）對(duì)物體的平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中存在問(wèn)題提出了改進(jìn)方案，最后將改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置與原實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較研究，結(jié)果表明改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置明顯地提高了測(cè)量精度。

平拋運(yùn)動(dòng)；傳感器；DISLab；電磁鐵

“數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”（Digital Information System Laboratory，縮寫(xiě)DISLab）是一種由多種物理量傳感器、數(shù)據(jù)采集器和實(shí)驗(yàn)軟件包構(gòu)成，集物理量測(cè)量、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理等功能于一體，構(gòu)建的依托計(jì)算機(jī)平臺(tái)的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［1］。該系統(tǒng)使學(xué)生更容易理解實(shí)驗(yàn)原理和物理規(guī)律，極大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)了物理教學(xué)質(zhì)量的提高。近年來(lái)，DISLab作為現(xiàn)代教育技術(shù)手段逐漸進(jìn)入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，成為信息技術(shù)與物理學(xué)科整合的有效手段［2，3］，因此，研究基于DISLab的物理實(shí)驗(yàn)在新課程改革中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

利用DISLab進(jìn)行平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)使得該實(shí)驗(yàn)操作水平有了很大的提高，具體體現(xiàn)在利用光電門(mén)測(cè)量飛行初速度、開(kāi)關(guān)傳感器測(cè)量飛行時(shí)間、采集器采集數(shù)據(jù)并用配套軟件繪制飛行軌跡［4］。但是在利用朗威DISLab V6.5進(jìn)行平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在控制小球釋放的初速度方面還存在很大不足，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以用電磁鐵代替手釋放小球的方法對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)。研究表明，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置明顯地提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度。下面將重點(diǎn)對(duì)改進(jìn)的方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行論述。

1 原理和方法

回顧傳統(tǒng)做法中對(duì)這一點(diǎn)的處理，不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于初速度所要達(dá)到的要求都是人為控制的，即要求學(xué)生手動(dòng)的將小球從同一高度自由釋放，由于手動(dòng)控制的人為因素的影響，要使每次的初速度相等是難以達(dá)到的，在傳統(tǒng)的描跡法研究平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)本來(lái)的誤差就比較大，這一點(diǎn)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果影響不大，往往可以忽略。然而，在DISLab平拋運(yùn)動(dòng)配套實(shí)驗(yàn)中（見(jiàn)圖1），由于采用了傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)圖形處理方法，實(shí)驗(yàn)效果明顯提高，然而，小球的釋放仍然采用傳統(tǒng)的手動(dòng)控制的方法，這嚴(yán)重地影響了實(shí)驗(yàn)精度的提高，因此，我們?cè)谶@個(gè)方面做了一定的研究和改進(jìn)，即用電磁鐵開(kāi)關(guān)對(duì)小球的控制來(lái)代替人為手動(dòng)對(duì)小球的控制。

圖1 DISLab平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

電磁鐵是應(yīng)用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)和磁能吸引鐵的原理而制成的。當(dāng)電磁鐵的勵(lì)磁線圈通過(guò)一定數(shù)量的電流時(shí)，鐵芯就對(duì)銜鐵產(chǎn)生電磁吸力，將銜鐵吸向鐵芯。線圈斷電后，電磁力消失，銜鐵借助一定的作用力返回原來(lái)的位置。由此制作的電磁鐵開(kāi)關(guān)具有良好的瞬時(shí)性，正是運(yùn)用這一突出特點(diǎn)來(lái)改進(jìn)我們的實(shí)驗(yàn)。操作過(guò)程中，用小球代替上面提到的銜鐵，這樣一來(lái)，就用通斷電來(lái)代替了人手對(duì)小球的釋放，從而達(dá)到了小球自由釋放這一目的，固定電磁鐵在滑槽的高度，就最終擁有了相對(duì)確定的初速度。相比較手動(dòng)將小球重復(fù)從同一高度自由釋放，引進(jìn)電磁鐵后，可以大大降低實(shí)驗(yàn)操作的難度，還可以更大地提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度，下面我們將用具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的說(shuō)明。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1，表2是將小球放在距離底板0.4 m、0.25 m高度處，分別用原實(shí)驗(yàn)裝置（朗威DISLab V6.5平拋運(yùn)動(dòng)配套器材）和改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖2，圖3分別是在電腦上顯示的平拋運(yùn)動(dòng)圖象。

表1 H＝0.4 m的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 H＝0.25 m的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 h＝0.4 m時(shí)小球的運(yùn)動(dòng)軌跡

表3為小球分別放置在高度為0.4 m，0.35 m，0.3 m，0.25 m，0.2 m處時(shí)，水平位移的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值的誤差。

圖3 h＝0.25 m時(shí)小球的運(yùn)動(dòng)軌跡

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不難看出，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)精度得到了明顯的提高。由于電磁鐵的瞬時(shí)性及排除了人手的不穩(wěn)定性，使誤差大大減??；加之電磁鐵可固定于滑槽上一點(diǎn)，從而也使得不確定度有了明顯的改觀。另外，經(jīng)總結(jié)還可發(fā)現(xiàn)，釋放小球的高度越高，改進(jìn)的效果越明顯。這是因?yàn)楦叨仍礁?，小球的飛行時(shí)間越長(zhǎng)，偏差就被放大的越多，誤差越明顯，而同時(shí)我們對(duì)誤差的改進(jìn)效果也被同等倍數(shù)的放大了，因此，改進(jìn)的效果就隨高度的增高而越顯著了。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上探討了運(yùn)用DISLab做平拋實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)用電磁鐵改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法。通過(guò)從不同高度的多次測(cè)量和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)比了分別用手和電磁鐵釋放小球時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差，充分證明了在應(yīng)用電磁鐵的情況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度得到了明顯的提高。而電磁鐵的低成本使得本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方便可行，具有較大推廣價(jià)值，并希望對(duì)其它實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)有所啟發(fā)，從而促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量的提高。

［1］ 吳志山.對(duì)通電自感“異?！眻D像的探究［J］.中國(guó)電化教育，2007（4）：74-76.

［2］ 劉海華.利用DISLab改進(jìn)高中物理教學(xué)［J］.中小學(xué)電教，2005（2）：37-38.

［3］ 沈軍.淺談使用DISLab進(jìn)行新教材摩擦力的實(shí)驗(yàn)［J］.物理教師，2007，28（1）：32-35.

［4］ 上海中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)研發(fā)中心.朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室V6.5用戶手冊(cè)，2009.

［5］ 喬密海.平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2008，28（4）：23-24.

Improvement on the Experiment of Horizontal Projectile Motion Based on DISLab

TAN Min，DING Yi-ming，YANG Yan-juan，ZHANG Li-li，ZHENG Yi-dan

（Hubei University，Hubei Wuhan 430062）

This thesis makes use of Dislab to do experimental research on horizontal projectile motion of objects.Aiming at the problem existing in the experiment devices，it proposes an improving project，and comparing the experimental results after improvement with previous ones.The experimental results show that the improving project highly improves the measuring accuracy.

horizontal projectile motion；sensor；Dislab；electromagnet

O 433

A

1007-2934（2011）05-0070-03

2011-01-20