高 博,張俊武,程向明,張 沛,王紅理

(西安交通大學 理學院 國家級實驗物理教學示范中心，陜西 西安 710049)

大學物理實驗的設(shè)計性實驗是近年來物理實驗教學改革的熱點方向之一[1-2].設(shè)計性實驗由于需要學生自主搭建設(shè)計實驗內(nèi)容，并在實驗過程中驗證其可行性并完善實驗，對學生的創(chuàng)新能力要求較高.

設(shè)計性實驗可以有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和良好的實驗習慣.設(shè)計性實驗因設(shè)計過程要求學生嘗試自主討論，過程往往較為費時，對實驗學時要求較多.目前數(shù)字化實驗在大學物理實驗中比例日益增大[3-4].由于各類傳感器和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輔助，數(shù)據(jù)采集準確度高，較傳統(tǒng)實驗節(jié)省大量實驗課時，是設(shè)計性實驗開設(shè)的良好平臺.

本文應用傳感器的數(shù)字化力學結(jié)構(gòu)系列實驗平臺，完成了多個設(shè)計性的實驗模塊.分別從基礎(chǔ)型、綜合型及實用交叉型的實驗層次出發(fā)，已基本完善了該平臺的設(shè)計性實驗完整體系，而且通過教學實踐得到了良好反饋.

1 力學結(jié)構(gòu)實驗平臺介紹

力學結(jié)構(gòu)系列實驗包括物理學中靜力學、動力學、力與振動以及剛體、結(jié)構(gòu)及分析力學內(nèi)容，涉及物理內(nèi)容廣泛，綜合性高.該實驗基于PASCO數(shù)字化平臺[5]，可利用各種組件(包括剛性桿、柔性桿、連接件、滑輪、砝碼、小車及軌道等)自主搭建并模擬各類力學結(jié)構(gòu).如圖1所示，從簡單的框架到大型橋梁、大型機械等均可成功搭建.配合振動發(fā)生器及應力傳感器、位置傳感器等可研究不同結(jié)構(gòu)及動力學各類實驗過程.利用計算機采集處理數(shù)據(jù)，且可配合相應的理論計算軟件輔助對比驗證實驗結(jié)果.

圖1 可搭建力學結(jié)構(gòu)范例示意圖

2 基礎(chǔ)設(shè)計性力學結(jié)構(gòu)實驗

基礎(chǔ)力學結(jié)構(gòu)模塊為該平臺初級設(shè)計性實驗，旨在令學生在簡單模型下迅速熟悉完整實驗流程，領(lǐng)會設(shè)計性實驗的總體思路.

圖2為簡單橋梁結(jié)構(gòu)模型圖，該模型僅使用數(shù)十個剛性桿和連接件連接，負重砝碼只需懸掛于連接桿上.測量點使用短桿與應力傳感器負載單元相連接且可隨時變換測力點，并利用傳感器工作站實時監(jiān)控應力變化.例如：當該橋的完全豎直桿經(jīng)負載調(diào)節(jié)擠壓應力為1 N左右時，靜力學分析[6]臨近斜梁應滿足理論關(guān)系：

此時可以根據(jù)應力測量結(jié)果驗證理論關(guān)系,并且根據(jù)應力數(shù)據(jù)分析該模型的力學結(jié)構(gòu)特點，也可以增減負載研究其力學結(jié)構(gòu)的變化趨勢.

圖2 極簡橋梁力學結(jié)構(gòu)模型

雖然以上實例為簡單的、基礎(chǔ)的模型，但是在實驗過程中，簡單模型往往能夠培養(yǎng)學生的基本實驗設(shè)計能力，也能夠充分展示理論課程掌握的扎實程度.通過這樣的訓練，可以先拋開復雜的理論物理過程，讓學生深入理解設(shè)計性實驗的設(shè)計思路，并進行可行性分析，同時提出高質(zhì)量的實驗問題.

3 綜合設(shè)計性力學結(jié)構(gòu)實驗

綜合設(shè)計性模塊一般是較為復雜的力學結(jié)構(gòu)，例如特大吊橋、特大跨橋、大型工程結(jié)構(gòu)等.該模塊涉及的力學內(nèi)容更加豐富，可設(shè)計思路極為開闊，但由于結(jié)構(gòu)復雜導致變量增多，對學生分析解決問題的能力也要求較高.

如圖3所示，吊橋由剛性桿與柔性桿及不可拉伸尼龍線共同組建.兩端橋墩需用砝碼加重使其牢固，橋拱與橋基之間用尼龍線緊繃，橋基可架設(shè)軌道供小車運動，負重砝碼可掛于橋基各處.該結(jié)構(gòu)力學行為復雜，配合振動發(fā)生器及相關(guān)傳感器可以設(shè)計的內(nèi)容極為豐富.

圖3 大型吊橋力學結(jié)構(gòu)模型

3.1 吊橋共振頻率研究

共振現(xiàn)象是力與振動的重要內(nèi)容，在實際生活中應用廣泛.通過改變負載和振源位置，在吊橋模型下可多角度設(shè)計共振實驗.圖4所示為橋基空載下橫向振動的共振狀態(tài)結(jié)果.

圖4 大型吊橋共振狀態(tài)及振動頻譜

如圖4所示，在外加振動下可利用位置傳感器測量整個橋體振幅隨時間的變化關(guān)系，并通過傅里葉變換從時域得到其頻譜，從而得到其共振頻率.通過變換振源的頻率和振幅以及改變橋體的負載，可設(shè)計多個系列共振實驗內(nèi)容.通過這樣的過程，可以讓學生理解共振現(xiàn)象的內(nèi)在物理本質(zhì)，且培養(yǎng)學生系統(tǒng)化實驗設(shè)計能力和實際創(chuàng)新思路.

3.2 吊橋應力狀態(tài)實驗與理論模擬

相比基礎(chǔ)性力學結(jié)構(gòu)，大型吊橋的力學結(jié)構(gòu)特點較為復雜.在吊橋的應力變化實驗中，因橋梁節(jié)點較多而導致應力測量過程需要大量實驗數(shù)據(jù)，則實驗設(shè)計過程可加入理論物理場建模.利用多場耦合計算軟件COMSOL Multiphysics，可建立吊橋的應力模型對應力結(jié)構(gòu)進行理論模擬.

圖5所示為空載下橋梁的應力場建模計算結(jié)果.雖然模擬結(jié)果與實際應力測量并非完全匹配，但是通過實驗與理論建模相結(jié)合的過程，培養(yǎng)了學生良好的科學研究素養(yǎng)以及多角度解決問題的能力.這是設(shè)計性實驗的核心目的之一.

圖5 吊橋COMSOL應力模型模擬

4 應用型及交叉型力學結(jié)構(gòu)實驗

設(shè)計力學結(jié)構(gòu)平臺的實驗的特色是培養(yǎng)學生解決運用理論知識建立物理模型，從而分析并解決實際問題的能力.在興趣導向下，可以給予學生充分的發(fā)揮空間.

4.1 摩天大樓地震現(xiàn)象模擬

地震是具有嚴重危害的地質(zhì)現(xiàn)象，其實質(zhì)是在地殼板塊之間的內(nèi)應力快速釋放過程中產(chǎn)生的震動.目前的科技水平無法準確地預測地震，但是通過對地震模擬，可以得到地震強度、橫縱波等對建筑的危害細節(jié)，從而做好建筑的防震抗震.

圖6為自主搭建設(shè)計的摩天大樓框架下地震應力變化.16層的高樓由剛性桿搭建，可調(diào)振幅頻率的振源從底座給出，將應力傳感器置于不同層樓.實驗時，根據(jù)不同層的振幅大小與地震的橫縱波的關(guān)系，及建筑的高度與共振頻率間的關(guān)系，產(chǎn)生對地震現(xiàn)象的規(guī)律性的認識.通過此應用實例，加深實際生活中對力與振動現(xiàn)象的理解.

圖6 摩天大樓模擬地震應力變化

4.2 人體手臂力學結(jié)構(gòu)模擬

除大型工程結(jié)構(gòu)外，力學結(jié)構(gòu)平臺還能與生物力學相關(guān)學科結(jié)合，提供多樣化的設(shè)計實驗內(nèi)容，可利用結(jié)構(gòu)件自主搭建各類生物生理結(jié)構(gòu)模型，從而分析其靜力學及運動受力變化.圖7所示為自主搭建的人體手臂模型，由懸掛砝碼模擬手臂提拉重物的過程，通過應力傳感器分析提拉過程前臂與后臂的受力變化，從而了解人體結(jié)構(gòu)特點與力學的相關(guān)關(guān)系.內(nèi)容豐富有趣，將物理與生物學之間的關(guān)系很好地融合在設(shè)計實驗中.

圖7 手臂結(jié)構(gòu)模型及受力分析圖

5 結(jié)束語

綜上，設(shè)計性實驗依托數(shù)字化實驗的基礎(chǔ)優(yōu)勢，將物理實驗的開放性、自主性、趣味性和創(chuàng)新型很好地結(jié)合.可以看到，設(shè)計性實驗的探索，以培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新意識為目的，對目前大學物理實驗的新流程、新模式、新內(nèi)容給出了積極的范例，給目前亟待改革的大學物理實驗教學法提供了新的思路和方向.