李躍明

人的五官感受客觀世界的范圍十分有限。隨著科技的發(fā)展,人們不斷地運(yùn)用各種工具和儀器延伸著自己器官的感知范圍和準(zhǔn)確度,這種工具和儀器就是傳感器。在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用傳感器,通過(guò)計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù),將測(cè)量結(jié)果及時(shí)準(zhǔn)確地記錄并顯示在大屏幕上,不僅能突出物理學(xué)科重實(shí)際,重運(yùn)用的特點(diǎn),而且能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科技的興趣,為提高演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果提供了新的研究方向。本文就高一物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)之結(jié)合傳感器部分舉例說(shuō)明。

1. 靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力之對(duì)比研究、滑動(dòng)摩擦力之規(guī)律研究

本實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)電機(jī)勻速拉動(dòng)木板,力傳感器記錄細(xì)線對(duì)木塊的拉力,可以研究靜摩擦力,也可以通過(guò)改變壓力的大小,對(duì)最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力與壓力的關(guān)系進(jìn)行定量研究,上圖為力傳感器記錄的細(xì)線拉力隨時(shí)間變化的圖像。

2. 共點(diǎn)力合成規(guī)律之探究

實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示,可以通過(guò)改變兩力的夾角得到不同的拉力,從而探究出力的合成規(guī)律,也可以動(dòng)態(tài)地演示力隨角度的變化,從而突破難點(diǎn)。上圖為兩傳感器的即時(shí)數(shù)據(jù)輸出。

3. 瞬時(shí)速度之測(cè)量

實(shí)驗(yàn)裝置如上圖,計(jì)算機(jī)能記錄擋光片通過(guò)光電門的時(shí)間,而擋光片的寬度是已知的,學(xué)生很容易得到物體通過(guò)擋光片時(shí)的瞬時(shí)速度。瞬時(shí)速度的測(cè)定,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器是無(wú)法做到的。傳感器使得很多與速度相關(guān)的實(shí)驗(yàn)演示或定量探究成為可能(實(shí)驗(yàn)加速度與外力和質(zhì)量之關(guān)系研究、動(dòng)能定理之實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、機(jī)械能守恒定律之實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、動(dòng)量定理之定量研究等都可以通過(guò)本裝置進(jìn)行演示)。下圖為物體撞擊傳感器時(shí)記錄的力隨時(shí)間變化的圖像,通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到區(qū)域積分面積,為學(xué)生探究動(dòng)量定理提供了條件。

縱坐標(biāo)為力,橫坐標(biāo)為時(shí)間,通過(guò)數(shù)據(jù)處理,得到F-t圖像與x軸所圍出圖形的面積即為力的沖量,測(cè)出碰撞前后的瞬時(shí)速度,求出動(dòng)量的變化,即可探究動(dòng)量定理。

4. 彈簧振子回復(fù)力與位移之關(guān)系研究

百聞不如一見(jiàn),簡(jiǎn)諧振動(dòng)過(guò)程中回復(fù)力與時(shí)間的關(guān)系,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往是理論推導(dǎo),本實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)力傳感器能直觀的演示,如果加上位移傳感器、加速度傳感器,則各個(gè)物理量與時(shí)間的關(guān)系很清楚的定量顯示出來(lái),便于學(xué)生突破難點(diǎn)、理解物理規(guī)律,傳感器的優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)一斑。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn),可以看出,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器加上精密測(cè)量工具傳感器,演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果得到了很大的提高。

責(zé)任編輯潘孟良