用DISLab探究力做功與速度變化關(guān)系的創(chuàng)新實驗

楊青華+楊建會

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)新實驗

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

DISLab全稱是數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（Digital Information System Laboratory），是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實驗軟件包+計算機(jī)”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。DISLab將實驗數(shù)據(jù)通過傳感器采集實時動態(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。基于DISLab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)計外力做功與動能變化的關(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)建立了重力勢能、彈性勢能的概念，知道了重力做功、彈力做功與重力勢能、彈性勢能之間的關(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物體所做的功與物體的動能之間的關(guān)系。但是課本第6節(jié)只提供了探究功與速度變化關(guān)系的兩種實驗裝置，方案一：橡皮筋的彈力是變力，對它做功的求解，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，對此方案接受理解需要時間。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，測量力的大小及小車在力作用下的運(yùn)動距離，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，其實鉤碼與小車一起加速運(yùn)動，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，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)了功與動能變化的關(guān)系（即動能定理），但教材沒有提供探究功與動能變化之間的關(guān)系的實驗探究方案，筆者受上述兩種實驗方案啟發(fā)，利用氣墊導(dǎo)軌及光電門傳感器設(shè)計了功與速度變化關(guān)系的創(chuàng)新實驗。

1 實驗設(shè)計思想

本實驗研究細(xì)線拉力對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)的實驗——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算機(jī)精確地求出。而滑塊在某一時刻的速度也可以通過光電門傳感器在電腦上記錄下來。

2 實驗器材

DISLab計算機(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。每個大頭針的質(zhì)量約為m1=0.115 g，滑塊的質(zhì)量m=192 g。

3 實驗原理

（1） 恒力功的測量W=FL求得。若直接用大頭針的重力代替細(xì)線拉力F會有誤差，為了測量準(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為小車在兩個光電門之間運(yùn)動的距離。本實驗L=0.25 m。

3.2 速度的測量

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

4 實驗過程

（1）首先將氣墊導(dǎo)軌安裝好，將兩個光電門用一個光電門傳感器串聯(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。實驗裝置圖如圖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，計算機(jī)上就會顯示一組數(shù)據(jù)如圖2所示。

（5） 改用2個大頭針質(zhì)量為0.230 g，3個大頭針質(zhì)量為0.345 g，4個大頭針質(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，外力做的功與動能的變化量成正比。

5 實驗創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本實驗利用氣墊導(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，實驗結(jié)果更加精確。

（3）本實驗利用光電門傳感器，電腦上可以記錄滑塊某一時刻的速度，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。

本實驗裝置改進(jìn)后，從操作及數(shù)據(jù)處理結(jié)果可看出，裝置簡單，操作方便，提高了實驗的精確度，實驗效果良好。

本實驗不僅可以研究恒力做功的實驗，還可以把彈簧與滑塊相連，利用兩個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?？梢杂脕眚炞C動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)實驗教科書物理必修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)新實驗設(shè)計[J].物理教學(xué)探討，2015，33（6）：54.

（欄目編輯 王柏廬）