劉偉

摘 ? 要：隨著信息技術(shù)和精密傳感技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器廣泛應(yīng)用到了生產(chǎn)生活中，極大地提高了工作效率，也給人們的生活帶來了便利。在全國很多地方，高中物理實(shí)驗(yàn)室引入了DIS系統(tǒng)（數(shù)字化信息系統(tǒng)），當(dāng)中最為核心的部件就是各種類型的傳感器。在DIS系統(tǒng)的幫助下，學(xué)生可以非常輕松地獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而總結(jié)出物理規(guī)律。DIS系統(tǒng)除了能夠應(yīng)用到教材中設(shè)計(jì)的學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)中，物理教師們也常會進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，用于物理場景演示實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)中，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的直觀感受，加深學(xué)生對物理規(guī)律的認(rèn)知深度。

關(guān)鍵詞：DIS系統(tǒng);力傳感器;物理實(shí)驗(yàn);動態(tài)平衡;應(yīng)用

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2022）4-0052-3

高中物理“力學(xué)”部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，涉及到的學(xué)生實(shí)驗(yàn)是“探究力的合成規(guī)律”。在力的分解部分沒有學(xué)生實(shí)驗(yàn)，但為了能夠增強(qiáng)課堂教學(xué)的效果，物理教師們常自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂教學(xué)演示，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過程中會用到力傳感器。然而，對于力傳感器的應(yīng)用時(shí)常出現(xiàn)不規(guī)范、不正確的情況，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)演示失敗。

1 ? ?問題的發(fā)現(xiàn)

筆者在一次教研活動中，觀摩了一節(jié)物理課——“力的分解”。課堂一開始，授課教師在自制演示儀（圖1）的動滑輪下面懸掛上重物，然后將兩個(gè)力傳感器從軌道中央沿軌道向兩側(cè)移動，在移動過程中，細(xì)繩突然斷裂，由此引入課堂教學(xué)。

在課堂的最后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析，為什么兩個(gè)力傳感器向兩側(cè)移動的過程中細(xì)繩會斷裂？學(xué)生回答：“動滑輪兩側(cè)細(xì)繩上的拉力是相同的，在重物重力不變的情況下，兩側(cè)細(xì)繩之間夾角增大，所以細(xì)繩上的拉力隨之增大，當(dāng)拉力達(dá)到細(xì)繩的承受極限，細(xì)繩就會斷裂”。回答結(jié)束后，授課教師將力傳感器連接到電腦，隨即開始實(shí)驗(yàn)演示。通過電腦屏幕顯示的示數(shù)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)力傳感器示數(shù)確實(shí)在增大，但是兩個(gè)力傳感器的示數(shù)卻不相同，并且差距很大，這引起了課堂上聽課教師和學(xué)生的注意。

仔細(xì)分析不難發(fā)現(xiàn)，問題出在力傳感器上，目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室里用的力傳感器，大多在傳感器前端有一個(gè)應(yīng)力桿。這樣類型的力傳感器[1]，在使用時(shí)，只有當(dāng)外力沿著應(yīng)力桿向外拉力傳感器或者沿著應(yīng)力桿向內(nèi)壓力傳感器時(shí)，力傳感器才能準(zhǔn)確測量外力的數(shù)值。如圖2所示，當(dāng)軌道上的兩個(gè)力傳感器沿著軌道向兩側(cè)移動的過程中，圖中繩上的拉力每時(shí)每刻都保持大小相等，即F=F'。兩側(cè)繩上的拉力因?yàn)闆]有沿著應(yīng)力桿的方向，所以力傳感器測量的數(shù)據(jù)并不是繩子上的拉力數(shù)值。另外，教師在移動兩側(cè)力傳感器的位置時(shí)，沒有保持兩個(gè)力傳感器關(guān)于半圓板對稱軸對稱，因此兩側(cè)細(xì)繩與力傳感器應(yīng)力桿之間的夾角不相同，導(dǎo)致兩側(cè)力傳感器上的示數(shù)并沒有保持每時(shí)每刻都相同，即F1≠F'1。

3.1 ? ?裝置結(jié)構(gòu)介紹

參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置[2]，對力的分解演示儀進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。改進(jìn)后的演示裝置由底座、左側(cè)支架、定滑輪、右側(cè)下支架、固定旋鈕、右側(cè)上支架、力傳感器、動滑輪等部分構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩個(gè)力傳感器分別固定在左側(cè)支架和右側(cè)上支架上，在力傳感器的上端安裝定滑輪。安裝定滑輪時(shí)，要保證力傳感器應(yīng)力桿引出的細(xì)繩跨過定滑輪后細(xì)繩的拉力方向與應(yīng)力桿在同一直線上，這樣就可以確保力傳感器測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。右側(cè)上支架和右側(cè)下支架之間通過固定旋鈕連接，右側(cè)上下支架都有開槽，方便調(diào)整兩個(gè)支架之間的位置。上支架在繞固定旋鈕軸線轉(zhuǎn)動時(shí)，便會改變動滑輪兩側(cè)繩之間的夾角，從而改變細(xì)繩上的拉力大小。

在高中力學(xué)部分，共點(diǎn)力的平衡是教學(xué)重難點(diǎn)，其中的動態(tài)平衡問題更是困擾著很多學(xué)生。他們在學(xué)習(xí)的過程中，只通過老師講解，很難真正體會共點(diǎn)力作用下物體動態(tài)平衡的機(jī)理。如果在應(yīng)用數(shù)學(xué)物理方法解析前，能夠有演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生探究實(shí)驗(yàn)幫助他們認(rèn)識、理解物理模型，定能達(dá)到事半功倍的效果。

動態(tài)平衡問題中就有這樣一種類型的題目：

例 如圖4所示，一根不可伸長的輕繩繞過光滑的滑輪后兩端分別固定在兩根豎直桿上的A、B兩點(diǎn)，滑輪下懸掛一個(gè)物體并處于平衡狀態(tài)。

（1）如果保持繩子固定點(diǎn)A的位置不變，使固定點(diǎn)B所在的豎直桿水平向左緩慢移動，問：在整個(gè)過程中繩上的拉力如何變化？

（2）如果保持繩子固定點(diǎn)A的位置不變，使固定點(diǎn)B沿豎直方向緩慢上下移動，問：繩上的拉力又如何變化？

物理是一門以實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在物理教學(xué)中加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)亦是落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段。通過實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)探究，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，促進(jìn)科學(xué)思維的形成。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)源于高中物理學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的物理情境，此情境對應(yīng)共點(diǎn)力作用下物體的動態(tài)平衡。通常情況下，教師在課堂上會結(jié)合數(shù)學(xué)、物理方法進(jìn)行分析研究，缺乏了真實(shí)情境的感知過程，學(xué)生因?yàn)闆]有實(shí)景觀察、體驗(yàn)，很難真正感知?jiǎng)討B(tài)變化的機(jī)理。物理科學(xué)不應(yīng)該是枯燥的，應(yīng)該讓學(xué)生帶著自己的疑問與好奇，在實(shí)驗(yàn)中探索物理的奧秘，獲得學(xué)習(xí)物理的樂趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]王璐，彭紅梅，隋景忠，等. DIS 系統(tǒng)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，36（2）：165-170.

[2]方衛(wèi)紅.自制“動態(tài)力的分解演示儀”[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2016，33（7）：95-96.

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）