楊青華+楊建會(huì)

摘 要：采用DISLab系統(tǒng)，包括氣墊導(dǎo)軌和光電門傳感器，探究力做功與速度變化關(guān)系。

關(guān)鍵詞：DISLab系統(tǒng)；光電門傳感器；氣墊導(dǎo)軌；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）12-0050-3

DISLab全稱是數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（Digital Information System Laboratory），是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。DISLab將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過傳感器采集實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示在電腦上，并利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。DISLab配備有力、磁、光電、位移、溫度、電壓、電流、微電流等多種傳感器?；贒ISLab的優(yōu)越性，研究工作者已在物理教學(xué)中做了大量的探索研究。本文利用DISLab設(shè)計(jì)外力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系。

背景說明：人教版高中物理必修2第七章，學(xué)生已經(jīng)建立了重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能的概念，知道了重力做功、彈力做功與重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能之間的關(guān)系。從內(nèi)容的邏輯上講，接下來應(yīng)該是進(jìn)一步研究和討論力對(duì)物體所做的功與物體的動(dòng)能之間的關(guān)系。但是課本第6節(jié)只提供了探究功與速度變化關(guān)系的兩種實(shí)驗(yàn)裝置，方案一：橡皮筋的彈力是變力，對(duì)它做功的求解，在高中階段不要求。而橡皮筋變力做功的思想很好，不用求變力做功的大小。教材中巧妙地回避了這種求變力做功的計(jì)算，而是用橡皮筋的條數(shù)來代替做功，這是一種很巧妙的思想方法，但是在學(xué)生傳統(tǒng)的思想中，還是受恒力做功的影響，對(duì)此方案接受理解需要時(shí)間。方案二：通過研究平板上的小車，使它在鉤碼重力的作用下從靜止開始運(yùn)動(dòng)，測(cè)量力的大小及小車在力作用下的運(yùn)動(dòng)距離，這一方案雖然是恒力做功，但是鉤碼通過細(xì)線拉著小車運(yùn)動(dòng)，其實(shí)鉤碼與小車一起加速運(yùn)動(dòng)，因此，細(xì)線的拉力做的功就等于鉤碼重力做的功，但這一結(jié)果是有前提條件的，即：鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，其實(shí)，這一方案系統(tǒng)誤差還是不可避免的。而接下來第7節(jié)就從理論上推導(dǎo)了功與動(dòng)能變化的關(guān)系（即動(dòng)能定理），但教材沒有提供探究功與動(dòng)能變化之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究方案，筆者受上述兩種實(shí)驗(yàn)方案啟發(fā)，利用氣墊導(dǎo)軌及光電門傳感器設(shè)計(jì)了功與速度變化關(guān)系的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

本實(shí)驗(yàn)研究細(xì)線拉力對(duì)滑塊所做的功與滑塊速度之間的關(guān)系，細(xì)線的拉力可以利用傳感器直接在電腦中讀出，而不是像傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)——細(xì)線的拉力近似地等于下面所掛重物的重力（存在系統(tǒng)誤差）。因此，細(xì)線拉力做的功就可以由計(jì)算機(jī)精確地求出。而滑塊在某一時(shí)刻的速度也可以通過光電門傳感器在電腦上記錄下來。

2 實(shí)驗(yàn)器材

DISLab計(jì)算機(jī)軟件，光電門傳感器，氣墊導(dǎo)軌，擋光片（寬度約為0.02 m），細(xì)線，天平，大頭針。每個(gè)大頭針的質(zhì)量約為m1=0.115 g，滑塊的質(zhì)量m=192 g。

3 實(shí)驗(yàn)原理

（1） 恒力功的測(cè)量W=FL求得。若直接用大頭針的重力代替細(xì)線拉力F會(huì)有誤差，為了測(cè)量準(zhǔn)確，可以這樣做，設(shè)小車的質(zhì)量為m，大頭針的質(zhì)量為m1，由牛頓第二定律F=ma及mg-F=ma，兩式聯(lián)立，求得 故拉力做的功W= L為小車在兩個(gè)光電門之間運(yùn)動(dòng)的距離。本實(shí)驗(yàn)L=0.25 m。

3.2 速度的測(cè)量

設(shè)光電門的寬度為d，擋光片通過光電門1的時(shí)間為t1，則小車到達(dá)光電門1時(shí)的瞬時(shí)速度為 擋光片通過光電門2的時(shí)間為t2，則小車到達(dá)光電門2時(shí)的瞬時(shí)速度為

4 實(shí)驗(yàn)過程

（1）首先將氣墊導(dǎo)軌安裝好，將兩個(gè)光電門用一個(gè)光電門傳感器串聯(lián)起來，用USB接入電腦?；瑝K上水平放置兩個(gè)擋光片，一段用細(xì)線相連，細(xì)線通過氣墊導(dǎo)軌一端的定滑輪可以捆綁大頭針。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1。

（2）打開光電門傳感器側(cè)面的開關(guān)，點(diǎn)擊DISLab.exe軟件，在小車常量輸入框中輸入小車的質(zhì)量192 g；在擋光片寬度常量輸入框中輸入擋光片寬度d=0.02 m；光電門距離常量輸入框中輸入光電門距離L=0.25 m；在大頭針質(zhì)量常量輸入框中輸入一個(gè)大頭針質(zhì)量m1=0.115 g，大頭針數(shù)量每次要改變。

（3）添加公式，公式代碼設(shè)為F，公式表達(dá)式設(shè)為 ；添加公式，公式代碼W，公式表達(dá)式設(shè)定為F·L。

（4）將細(xì)線的一端固定在小車前端，另一端跨過定滑輪系住大頭針，第一次用一個(gè)大頭針0.115 g。將小車置于起點(diǎn)，從導(dǎo)軌某一位置由靜止釋放，計(jì)算機(jī)上就會(huì)顯示一組數(shù)據(jù)如圖2所示。

（5） 改用2個(gè)大頭針質(zhì)量為0.230 g，3個(gè)大頭針質(zhì)量為0.345 g，4個(gè)大頭針質(zhì)量為0.460 g，重復(fù)第（4）步，得到一列數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊繪圖按鈕，X軸代表變量拉力做的功，Y軸代表速度的變化量，圖3顯示了合力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系。圖4是該直線的擬合方程y=134.52x-0.0247，在誤差允許的范圍內(nèi)分析圖線，可以看出，外力做的功與動(dòng)能的變化量成正比。

5 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本實(shí)驗(yàn)利用氣墊導(dǎo)軌代替普通的平板小車，很好地消除了摩擦力的影響。

（2）拉力F=m·m1·直接輸入傳感器模板公式中，不變的要求是大頭針的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確。

（3）本實(shí)驗(yàn)利用光電門傳感器，電腦上可以記錄滑塊某一時(shí)刻的速度，通過模板中的公式直接求出力做功及速度變化，通過畫圖就可以很直觀地總結(jié)出恒力做功與速度變化的關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)后，從操作及數(shù)據(jù)處理結(jié)果可看出，裝置簡(jiǎn)單，操作方便，提高了實(shí)驗(yàn)的精確度，實(shí)驗(yàn)效果良好。

本實(shí)驗(yàn)不僅可以研究恒力做功的實(shí)驗(yàn)，還可以把彈簧與滑塊相連，利用兩個(gè)光電門記錄滑塊的速度，研究彈簧彈力（變力）做功與速度變化的關(guān)系?？梢杂脕眚?yàn)證動(dòng)能定理也適用于變力做功。

參考文獻(xiàn)：

[1]普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修2[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]楊青華，等.基于DISLab的楞次定律創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2015，33（6）：54.

（欄目編輯 王柏廬）