魏富城●

廣東省臺(tái)山市聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)校(523005)

利用計(jì)算機(jī)和傳感器探究牛頓第二定律教學(xué)方法研究

魏富城●

廣東省臺(tái)山市聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)校(523005)

在牛頓第二定律教學(xué)中，采取傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)法得出的數(shù)據(jù)有著較大誤差，容易使學(xué)生對(duì)牛頓第二定律的內(nèi)容產(chǎn)生質(zhì)疑.基于這種情況，本文使用計(jì)算機(jī)和傳感器完成了實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，減小了實(shí)驗(yàn)誤差，從而獲得了有利于學(xué)生理解牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)效果.

計(jì)算機(jī)；傳感器；牛頓第二定律；教學(xué)方法

在開(kāi)展牛頓第二定律教學(xué)時(shí)，需開(kāi)展加速度、力和質(zhì)量關(guān)系的探究實(shí)驗(yàn)，以幫助學(xué)生更好理解牛頓第二定律的內(nèi)容.但采取教材中的實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)多誤差，無(wú)法得到物體加速度與所受外力成正比、與物體質(zhì)量成反比的結(jié)果.為減小誤差，需使用計(jì)算機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)教學(xué)裝置改進(jìn).

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的誤差分析

在開(kāi)展牛頓第二定律教學(xué)時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要將拉小車(chē)或滑塊的懸掛物重力當(dāng)成是拉力.實(shí)際上，利用懸掛物拉動(dòng)小車(chē)的過(guò)程中，懸掛物將處在失重狀態(tài)，其對(duì)小車(chē)的拉力要比自身重力小，在懸掛物的數(shù)量越多的情況下，越無(wú)法滿足懸掛物質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車(chē)質(zhì)量的條件，誤差也越大.并且實(shí)驗(yàn)中需要通過(guò)反復(fù)移動(dòng)用于平衡系統(tǒng)的木塊使小車(chē)保持勻速運(yùn)動(dòng)，這種操作將影響實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性，容易在反復(fù)操作中產(chǎn)生誤差.

二、利用計(jì)算機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)教學(xué)改進(jìn)的方法

1.改進(jìn)方案的可行性分析

運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立，可提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度.使用光電門(mén)傳感器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，則可減小平衡摩擦力時(shí)的誤差，能避免學(xué)生在打紙帶和處理數(shù)據(jù)上花費(fèi)過(guò)多時(shí)間，提高課堂教學(xué)效率.從測(cè)量精度上來(lái)看，使用光電門(mén)傳感器可達(dá)到1μs的測(cè)量精度，為進(jìn)一步減小實(shí)驗(yàn)誤差，還要使用力傳感器.使用該傳感器進(jìn)行天平的替代，則能簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)器材，為實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展提供更好的條件.

2.實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)方法

具體改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，需使用計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)信息化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、與系統(tǒng)匹配的力學(xué)軌道、砝碼、光電門(mén)傳感器、力傳感器、小沙桶、擋光片等附件.利用力學(xué)軌道配套附件完成光電門(mén)傳感器的組裝后，就可將兩個(gè)傳感器分別接入到數(shù)據(jù)采集器的兩個(gè)通道.在此基礎(chǔ)上，需在小車(chē)上完成擋光片安裝，擋光片寬度為0.020m.同時(shí)還要利用蝶形螺栓和“L”型掛架在小車(chē)上進(jìn)行力傳感器的固定，而力傳感器需保持直立，以確保小車(chē)能夠在軌道上平穩(wěn)運(yùn)行.固定過(guò)程中，需使力傳感器的測(cè)鉤平行于軌道，然后在力傳感器上進(jìn)行無(wú)線發(fā)射器安裝.在無(wú)線發(fā)射器和力傳感器之間，需要安裝寬度為0.020m的擋光片.

通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用帶有數(shù)據(jù)線的力傳感器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，會(huì)導(dǎo)致小車(chē)的運(yùn)動(dòng)受到數(shù)據(jù)線的扭力影響.為解決此問(wèn)題，使用無(wú)線力傳感器替代有線的力傳感器，但由于力傳感器高度過(guò)高，小車(chē)無(wú)法實(shí)現(xiàn)順利擋光.因此又重新進(jìn)行光電門(mén)位置的調(diào)整，以確保小車(chē)順利擋光.通過(guò)不斷改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)傳感器配套附件的自由組合，從而通過(guò)改變力傳感器和光電門(mén)傳感器的位置順利開(kāi)展實(shí)驗(yàn).

3.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程分析

在利用改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)前，還要做好擋光片位置的調(diào)整.針對(duì)光電門(mén)傳感器的擋光片，需要使其與軌道一段高度保持一致.在此基礎(chǔ)上，需反復(fù)輕推小車(chē)，直至小車(chē)通過(guò)兩光電門(mén)的時(shí)間幾乎相同，才能夠完成擋光片位置的固定，固定好后，需利用天平完成質(zhì)量為0.006kg的小沙桶秤量，然后將小沙桶懸掛在滑輪下方，并且使用細(xì)繩將其與小車(chē)連接起來(lái).為測(cè)量小車(chē)所受拉力，要使用細(xì)繩將小沙桶與力傳感器掛鉤連接.在小車(chē)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，傳感器能夠直接完成繩上拉力的測(cè)量，所以能夠使系統(tǒng)誤差得到消除.為探究質(zhì)量與加速度關(guān)系，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要使用力傳感器進(jìn)行小車(chē)及配重質(zhì)量的測(cè)量.為此還要使用另一個(gè)力傳感器，將小車(chē)及配件整體掛在傳感器測(cè)鉤上.

在測(cè)量時(shí)，需在系統(tǒng)中點(diǎn)擊“調(diào)零”按鈕，使傳感器歸零.經(jīng)測(cè)量，小車(chē)及配重重力為3.98N，質(zhì)量為0.407kg.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需逐次增加小沙桶質(zhì)量，并完成數(shù)值記錄.在系統(tǒng)中，要完成“表格”的點(diǎn)擊，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將擋光片經(jīng)過(guò)光電門(mén)傳感器的時(shí)間分別記錄為t1和t2，時(shí)間間隔為t12.在系統(tǒng)中完成“公式”中的自定義點(diǎn)擊，系統(tǒng)能夠利用公式a=(0.02/t2-0.02/t1)t12完成a值的計(jì)算.小沙桶質(zhì)量每改變一次，系統(tǒng)表格會(huì)完成相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，并完成a值計(jì)算.在該表格中，m1為小沙桶質(zhì)量，通過(guò)輸入“拉力”表達(dá)式，即f=m1*9.8N，得到拉力計(jì)算結(jié)果.在系統(tǒng)中點(diǎn)擊“繪圖”，將a值當(dāng)成Y軸，f值當(dāng)成X軸，進(jìn)行“線性擬合”按鈕的點(diǎn)擊，則可得到一條直線(圖1).

圖1

4.實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果分析

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用力傳感器進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量，可完成小車(chē)和配重質(zhì)量的精確測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差值較之利用天平測(cè)得的值小很多，得到的直線接近原點(diǎn)，與縱軸的截距為0.01m/s2.對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，使用計(jì)算機(jī)和傳感器獲得的實(shí)驗(yàn)誤差較小.計(jì)算機(jī)和傳感器的操作比較容易，并且擁有較高的靈敏度，可及時(shí)完成數(shù)據(jù)收集和處理，還能提供實(shí)驗(yàn)圖像，更容易被學(xué)生接受，也更能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情.

[1]劉茂軍,孟超,陳勝男等.基于傳感器的牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究(續(xù))[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2014,Z1:105-106.

[2]李維兵.加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)探究 發(fā)展學(xué)生綜合能力——以牛頓第二定律教學(xué)剖析為例[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2012,10:14-16.

[3]張育霞,程芳卉.力傳感器在《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》實(shí)驗(yàn)中的妙用[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2015,03:60-62.

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