王 佳 郭長(zhǎng)江

(上海市閔行區(qū)鶴北初級(jí)中學(xué) 上海 200240)(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

高一學(xué)生正處于心理折疊能力[1]的又一個(gè)發(fā)展期，在物理課堂教學(xué)過程中盡可能使用符合學(xué)生心理發(fā)展特點(diǎn)的教育手段，才能大幅度促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知能力的發(fā)展.例如，在教學(xué)過程中使用一定的多媒體技術(shù)輔助物理課堂教學(xué)，積累學(xué)生的空間感覺，通過教師的演示實(shí)驗(yàn)以及學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對(duì)二維和三維空間中的運(yùn)動(dòng)更清晰、直觀.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)入了高中物理教學(xué)，逐漸廣泛地應(yīng)用DIS來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用傳感器與計(jì)算機(jī)直觀模擬物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具有較強(qiáng)的時(shí)代性.

滬科版高中物理新課改課本中，機(jī)械振動(dòng)這一章內(nèi)容位于高一物理第二學(xué)期的課本中，其中在第一節(jié)介紹機(jī)械振動(dòng)中，就是根據(jù)描述彈簧振子的振動(dòng)過程，引導(dǎo)學(xué)生分析受力情況、歸納振動(dòng)規(guī)律，從而總結(jié)出簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的概念及物理量的意義.課本中探究了水平方向上彈簧振子的受力情況與振動(dòng)過程.不少研究者考慮到小球受到摩擦力的作用，使用氣墊導(dǎo)軌來(lái)減小摩擦力對(duì)振動(dòng)效果的影響.

本文將介紹彈簧振子在豎直方向上的振動(dòng)情況，并用DIS實(shí)驗(yàn)方法將現(xiàn)象直觀化、具體化.

1 豎直振動(dòng)的彈簧振子傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

彈簧振子在豎直方向上振動(dòng)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，器材如圖1所示.振子的位移與回復(fù)力(彈簧彈性力和重力的合力)有關(guān)，彈簧振子在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)是一種簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).此傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，所以讀數(shù)比較困難，因此實(shí)驗(yàn)效果不夠理想.

圖1 上端固定的彈簧振子

2 用DIS實(shí)驗(yàn)改進(jìn)操作方法

2.1 DIS方法及原理闡述

在研究彈簧振子回復(fù)力與位移關(guān)系的這一實(shí)驗(yàn)中，需要使用運(yùn)動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)線等.

如圖2所示，(線性)運(yùn)動(dòng)傳感器2(MD-BTD)發(fā)出短脈沖的超聲波，遇到物體表面后，發(fā)生反射，探測(cè)器通過接收反射信號(hào)所用的時(shí)間，以及聲音在空氣中傳播的速度，計(jì)算出最近的物體離開傳感器的距離.但由于超聲波在來(lái)回傳輸過程中需要一定時(shí)間，若物體與超聲波的發(fā)射源距離過近，則計(jì)算機(jī)上顯示出的距離將存在較大偏差.故在使用運(yùn)動(dòng)傳感器時(shí)，一般將被測(cè)物置于15 cm之外，并在運(yùn)動(dòng)過程中求其相對(duì)位置，則可減小此影響.此外，從發(fā)射源發(fā)出的超聲波有一定的張角Ω，一般呈15～20°左右的錐形體積，所以實(shí)驗(yàn)操作過程中，要保證被測(cè)物周圍沒有其他物體的干擾.例如在測(cè)量豎直方向上運(yùn)動(dòng)物體的位移大小時(shí)，要保證其在豎直方向振動(dòng)，若存在擺動(dòng)，則由于斜邊大于直角邊，通過運(yùn)動(dòng)傳感器讀出的數(shù)據(jù)將大于真實(shí)值，從而產(chǎn)生操作誤差.

圖2 運(yùn)動(dòng)傳感器

運(yùn)動(dòng)傳感器可測(cè)量的最佳距離范圍為0.15～6 m，分辨率為1 mm.此實(shí)驗(yàn)使用了運(yùn)動(dòng)傳感器，還有一些實(shí)驗(yàn)需要運(yùn)動(dòng)傳感器與其他傳感器配合使用，例如,配合力傳感器探測(cè)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,配合光傳感器探測(cè)平方反比定律,配合磁場(chǎng)傳感器探測(cè)磁場(chǎng)在不同位置的變化等.

由于傳感器自身的性質(zhì)，在使用過程中不能超過其測(cè)量的最佳范圍，避免其他物體(如桌子、人等)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)，使測(cè)量產(chǎn)生誤差.

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)將鐵架臺(tái)放置在水平桌面上，把一輕質(zhì)彈簧懸掛在鐵架臺(tái)上，并使彈簧自然下垂保持豎直向下.

(2)將鉤碼懸掛在輕質(zhì)彈簧的另一端，在其正下方水平放置一位移傳感器，并按照要求將位移傳感器連接至數(shù)據(jù)采集器中，并與計(jì)算機(jī)相連,如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置的擺放與連接

(3)在電腦中找到DIS軟件，打開Logger Pro.豎直向上提起鉤碼，使輕質(zhì)彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)后松手，點(diǎn)擊“開始采集數(shù)據(jù)”.

在實(shí)驗(yàn)過程中，必須保持彈簧的振動(dòng)方向是豎直的，以免由于彈簧的擺動(dòng)而產(chǎn)生誤差，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確.

2.3 問題與改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)由于鉤碼下方不平整，影響了傳感器的測(cè)量.故將紙裁剪成與鉤碼底面積相同的圓面,并粘貼鉤碼下方，如圖4所示，使得傳感器在測(cè)量距離時(shí)到達(dá)物體的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)在同一平面上，減小在測(cè)量與讀取數(shù)據(jù)上產(chǎn)生的誤差.

圖4 對(duì)普通鉤碼的改進(jìn)

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集，可以直接在計(jì)算機(jī)屏幕上得到有關(guān)彈簧振子振動(dòng)的速度、加速度與時(shí)間的圖像.開始幾次振動(dòng)不夠穩(wěn)定，之后的圖像較為完美，能看到是一個(gè)正弦函數(shù)圖像，如圖5所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像

2.5 數(shù)據(jù)分析與處理

當(dāng)彈簧振子振動(dòng)幾次后繪制的圖像較好，更接近正弦函數(shù)圖像.于是，選取中間部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行求解.在Logger Pro中選擇“文件”并導(dǎo)出為Excel表格,如圖6所示.實(shí)驗(yàn)中使用的鉤碼的質(zhì)量為50 g.

實(shí)驗(yàn)中，位移傳感器放在鐵架臺(tái)上，故以傳感器的發(fā)射面為位移零點(diǎn),實(shí)驗(yàn)中彈簧振子的振幅為

由于這是一個(gè)輕質(zhì)彈簧，所以可以忽略彈簧的自身質(zhì)量，則下方懸掛的鉤碼質(zhì)量

m=0.05 kg

圖6 上端固定的彈簧振子90組數(shù)據(jù)表

通過Excel計(jì)算得振幅為A=0.11 m.觀察實(shí)驗(yàn)所得的圖像可知，彈簧振子的運(yùn)動(dòng)過程滿足正弦函數(shù)圖像，是一個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).

3 實(shí)驗(yàn)拓展

通過此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以較快地獲得多次數(shù)據(jù)，并從計(jì)算機(jī)的圖像中一眼便看清其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是符合正弦函數(shù)圖像的，也即彈簧振子在豎直方向上的振動(dòng)也是一個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng).學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上，使用Excel來(lái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可得此彈簧的勁度系數(shù)的平均值為6.55 N/m.學(xué)生在得出結(jié)論后，需要對(duì)自己的數(shù)據(jù)結(jié)果加以驗(yàn)證，這樣，對(duì)于什么是彈簧的勁度系數(shù)，學(xué)生會(huì)有更加深刻的印象.

本文通過對(duì)豎直方向振動(dòng)的彈簧振子的運(yùn)動(dòng)描述，說明回復(fù)力不等于彈力，并理清兩者之間的概念.高中物理課本中，彈力是指發(fā)生形變的物體由于要恢復(fù)原狀，對(duì)與它接觸的物體產(chǎn)生力的作用，這種力叫做彈力.簡(jiǎn)單的說，彈簧的彈力就是彈簧被壓縮或拉伸后為了恢復(fù)到原來(lái)的原長(zhǎng)狀態(tài)而產(chǎn)生的力.回復(fù)力則是按力的作用效果來(lái)命名的，它是振動(dòng)方向上的一個(gè)合外力，并且其方向總是指向平衡位置.由于書中的例子是水平方向的運(yùn)動(dòng)，在忽略摩擦力之后，水平方向只受到了彈簧彈力的作用，因此，此時(shí)的回復(fù)力大小等于彈力大小.

通過對(duì)振子在不同方向上振動(dòng)情況的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中的回復(fù)力將有更深刻的印象和更清晰、正確的理解.結(jié)合DIS實(shí)驗(yàn)，直觀地將正弦函數(shù)圖像展現(xiàn)在學(xué)生面前，避免學(xué)生在之后的學(xué)習(xí)中混淆.

4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與反思

使用DIS實(shí)驗(yàn)輔助物理教學(xué)，能在各方面展現(xiàn)新科技帶來(lái)的優(yōu)勢(shì).

(1)靈敏度高

DIS配備了眾多具有各種不同功能的傳感器，其傳感器的靈敏度較高，能較準(zhǔn)確地測(cè)量實(shí)驗(yàn)所需的一些物理量.本實(shí)驗(yàn)使用的(線性)運(yùn)動(dòng)傳感器(MD-BTD)可以精確測(cè)量到1 mm.

(2)收集數(shù)據(jù)效率高

我們?yōu)榱藴p少實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，實(shí)驗(yàn)中通過多次測(cè)量，求其平均值的方法來(lái)減少誤差.在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中，就需要在大量數(shù)據(jù)中重復(fù)進(jìn)行相同的計(jì)算.使用DIS實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)的采集在實(shí)驗(yàn)過程中同步進(jìn)行，可以從電腦屏幕上直接看到每一組數(shù)據(jù)(圖5).在“文件”選項(xiàng)中選擇Excel導(dǎo)出，便有了90組數(shù)據(jù)表(圖6).從而節(jié)省了實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間.

(3)數(shù)據(jù)處理速度快

DIS實(shí)驗(yàn)由傳感器采集信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中.實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理由計(jì)算機(jī)完成，這樣大大加快了數(shù)據(jù)處理的效率，學(xué)生可以從數(shù)據(jù)中較快獲得相應(yīng)的信息，包括幾個(gè)物理量之間的關(guān)系等.如圖5所示中，選擇“速度v”或“加速度a”，在右圖會(huì)自動(dòng)使用左邊測(cè)得的數(shù)據(jù)，生成v-t圖或a-t圖.幾個(gè)物理量之間的關(guān)系便一目了然了.

(4)計(jì)算機(jī)擬合效果好

計(jì)算機(jī)可以根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的圖像，比人為計(jì)算擬合出的線條更完美.

(5)課堂教學(xué)效率高

使用DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)，減少了多次記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間.教師可以詳細(xì)地介紹彈簧振子的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)原理以及使用運(yùn)動(dòng)傳感器的測(cè)量方法，將數(shù)據(jù)記錄簡(jiǎn)化為計(jì)算機(jī)處理，課堂教學(xué)重點(diǎn)突出，教學(xué)效率顯著提高.

(6)提高學(xué)生合作探究能力

學(xué)生有更多的自主時(shí)間來(lái)研究DIS實(shí)驗(yàn)，利用DIS傳感器的測(cè)量功能以及計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，學(xué)生可以對(duì)感興趣的物理量進(jìn)行獨(dú)立探索、數(shù)據(jù)測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，并有利于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作與交流能力.

當(dāng)然，在使用DIS進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師需要講清實(shí)驗(yàn)的原理以及所使用的DIS實(shí)驗(yàn)器材的原理，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中準(zhǔn)確理解原理、條件及意義，充分利用DIS實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也必須與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，這樣才能更大地發(fā)揮DIS實(shí)驗(yàn)的作用.

參考文獻(xiàn)

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