利用DIS系統(tǒng)研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

謝含冰 唐強(qiáng)

摘 要：研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，教材設(shè)計(jì)的彈簧振子實(shí)驗(yàn)可以定性研究振子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度、加速度、位移及回復(fù)力的變化，但不能定量研究力隨位移、時(shí)間變化的規(guī)律，這就為后期簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像教學(xué)造成了困難.借助DIS系統(tǒng)研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，不僅可以定量研究力與位移、力與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，同時(shí)，通過(guò)曲線擬合，還可以顯示力、位移隨時(shí)間變化的函數(shù)圖像，讓學(xué)生更容易理解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本特征和規(guī)律.

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng);DIS系統(tǒng);函數(shù)圖像

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）17-0042-02

作者簡(jiǎn)介：謝含冰（1984-），女，四川遂寧人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：高中物理教學(xué);

唐強(qiáng)（1983-），男，四川綿陽(yáng)人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：高中物理教學(xué).

1 教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

教材設(shè)計(jì)了“水平彈簧振子”和“沙擺”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)[1]，教材實(shí)驗(yàn)從簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手，讓學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，從而建立簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本概念，如圖1和圖2所示.在該過(guò)程中，可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和分析能力，以及把實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為物理模型的能力.

分析教材可以發(fā)現(xiàn)：教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作容易，通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以建立簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本概念，了解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律.但是，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)不能定量研究力與位移、力與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，而沙擺的研究雖然可以大致看出位移隨時(shí)間成正弦規(guī)律變化，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)操作要求較高，若是模板運(yùn)動(dòng)不能勻速，則作出的圖像并非正弦或余弦曲線，實(shí)驗(yàn)效果很差，因而并不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，這就為后期簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像教學(xué)造成了困難.

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)——利用DIS系統(tǒng)研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

通過(guò)DIS系統(tǒng)，顯示力和位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，利用軟件和數(shù)據(jù)分析，探究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期以及回復(fù)力與位移的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上通過(guò)控制變量法研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)周期的影響因素，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路如圖3所示，利用彈簧在豎直方向做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用傳感器建立簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)與電腦終端的聯(lián)系，用數(shù)據(jù)采集器把簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的每一個(gè)狀態(tài)和過(guò)程完全用數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和函數(shù)分析，從而獲取物理規(guī)律.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖及器材

本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)器材包括：數(shù)據(jù)采集器、位移傳感器、彈簧、重錘、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)連接線，實(shí)驗(yàn)連接圖如圖4所示.

2.3 實(shí)驗(yàn)操作流程

2.3.1 力傳感器調(diào)零，位移傳感器校準(zhǔn)

把重物豎直懸掛，待重物靜止后，點(diǎn)擊“調(diào)零”按鈕，將靜力傳感器調(diào)零，如圖5所示.在以后的運(yùn)動(dòng)中，無(wú)論重物位置怎么改變，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)此位置回復(fù)力為零，即為平衡位置，當(dāng)重物偏離平衡位置時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)拉力，系統(tǒng)就會(huì)記錄每一個(gè)時(shí)刻的拉力大小和方向.

位移是質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于參考系的位置變化，要記錄位移的變化，必須找出一個(gè)參考系，即為基準(zhǔn)位置，為了后面操作方便，可以把重物拉到鐵架臺(tái)的最下面，以后每次釋放都從基準(zhǔn)位置釋放，偏離此位置的距離即為位移的大小.

2.3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）觀察簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特征，探究位移和力隨時(shí)間的變化規(guī)律

把重物拉到位移基準(zhǔn)位置釋放，重物上下做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)穩(wěn)定后點(diǎn)擊“開始”，觀察回復(fù)力、位移隨時(shí)間變化規(guī)律，可以觀察到重物在平衡位置兩側(cè)來(lái)回運(yùn)動(dòng)，同時(shí)計(jì)算機(jī)屏幕上可以看出“力和位移隨時(shí)間周期性變化”（如圖6），利用軟件“擬合”功能可以找出回復(fù)力和位移變化的周期大小.觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以讓學(xué)生了解簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本特征及力和位移變化的正弦曲線，為以后學(xué)習(xí)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像奠定基礎(chǔ).

（2）曲線擬合：探尋力與位移的變化規(guī)律

把力和位移圖像同時(shí)呈現(xiàn)在一副圖（如圖7），通過(guò)曲線擬合，可以發(fā)現(xiàn)：力與位移變化的步調(diào)完全一致.分析函數(shù)，不難發(fā)現(xiàn)，二者變化的周期完全相同，但力和位移的大小不同，但比值是一個(gè)常數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的基本理論是完全吻合的.

（3）改變實(shí)驗(yàn)條件，分析影響周期的因素

利用控制變量法，分別改變振子質(zhì)量和彈簧，重復(fù)以上步驟，可以得到結(jié)論：振子振動(dòng)周期與重物的質(zhì)量無(wú)關(guān)，與彈簧有關(guān).

2.3.3 數(shù)據(jù)分析

分析和處理數(shù)據(jù)是學(xué)生實(shí)驗(yàn)的重要能力，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)傳感器可以獲得多組數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)需要選擇一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，尋找規(guī)律等方法來(lái)分析數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)意識(shí)及處理數(shù)據(jù)的能力，分析數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)相同的時(shí)間力和位移圖像重復(fù)，說(shuō)明力和位移隨時(shí)間是周期性變化的，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)二者變化的周期是相同的，如圖8所示.

可見，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)分析，還是曲線擬合，都可以說(shuō)明，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是在平衡位置兩側(cè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，力和位移隨時(shí)間均呈周期性變化，且變化的周期相同;同時(shí)，數(shù)據(jù)和函數(shù)反映出“力和位移都有一個(gè)最大值，且他們之間的比值是一個(gè)常數(shù)”.

3 結(jié)束語(yǔ)

物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過(guò)科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系[2]，在此過(guò)程中，需要依托實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，逐步培養(yǎng)學(xué)生敏銳的觀察能力、嚴(yán)密的數(shù)據(jù)分析能力和邏輯推理能力，因此在教學(xué)過(guò)程中，教師也應(yīng)該優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，增大實(shí)驗(yàn)的可視性，讓學(xué)生通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，在此基礎(chǔ)上通過(guò)數(shù)據(jù)分析和函數(shù)分析深化對(duì)概念、規(guī)律的理解，并在此過(guò)程中熟悉控制變量法、放大法等基本實(shí)驗(yàn)方法.

高中物理知識(shí)較為抽象，學(xué)習(xí)難度大，解決問(wèn)題需要嚴(yán)密的邏輯思維，思維訓(xùn)練也是高中物理教學(xué)的一項(xiàng)重要要求，實(shí)驗(yàn)不僅是習(xí)得知識(shí)，解決問(wèn)題的過(guò)程，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和形成科學(xué)思維的重要手段，這一過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要教師引導(dǎo)，學(xué)生之間交流合作.

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書（選修3-4）[M].北京：教育科學(xué)出版社，2005.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-05-26）