基于PASCO實驗系統(tǒng)的高中物理拓展性實驗設計
——以“沖量”為例

彭海亮，楊詩淇，吳先球,2*

1.華南師范大學物理與電信工程學院，廣州 510006

2.華南師范大學物理學科基礎課實驗教學示范中心，廣州 510006

沖量是高中物理選擇性必修一的教學難點之一，教材通過動量定理的推導給出了沖量的概念，學生比較難理解沖量的物理意義。在生活中，大多數(shù)碰撞場景中的相互作用力不是恒力，容易給學生理解沖量造成困難。

本研究利用PASCO實驗系統(tǒng)，通過設計直觀且有趣的拓展性實驗，從探究實心球碰撞的沖量問題出發(fā)，創(chuàng)設生活化場景：屈膝與非屈膝落地，跑步前腳掌與后腳掌著地。通過實驗圖像，直觀地展現(xiàn)沖量的物理意義，幫助學生克服學習困難。對生活中的沖量問題進行研究，有助于培養(yǎng)學生學習物理的興趣和物理學科核心素養(yǎng)[1]。

1 PASCO實驗系統(tǒng)簡介

PASCO系統(tǒng)是一種由PASCO Capstone軟件、數(shù)據(jù)采集器和傳感器組成的實驗系統(tǒng)。PASCO Capstone操作平臺用于控制數(shù)據(jù)的采集，處理已采集的數(shù)據(jù)。Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器可以同時測量和顯示1至4個物理量。本文所使用的傳感器為二維力平臺，能夠測量物體豎直方向和前后方向的受力情況[2]。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)操作簡單、靈敏度高，可以在物理現(xiàn)象與數(shù)據(jù)之間建立即時的聯(lián)系[3]，同時能夠實時收集和顯示所測量的物理量，有利于學生進行拓展實驗的自主探究。Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器的脫機使用功能使得實驗數(shù)據(jù)的顯示無需攜帶電腦，方便學生進行戶外拓展實驗。

2 實驗原理

2.1 實心球與彈簧、厚木塊相碰

如圖1所示，將同一實心球從同一高度自由下落，分別與彈簧和厚木塊相碰，相互作用力大小不同，作用時間不同。實心球與厚木塊的相互作用力較大，作用時間較短；而實心球與彈簧的相互作用力較小，作用時間較長。通過測量實心球在豎直方向的受力情況并記錄作用時間，探究、對比實心球分別與彈簧和厚木塊相碰時的沖量。

圖1 實心球自由下落示意圖

2.2 屈膝落地與非屈膝落地

膝蓋是人體避震的“彈簧”，豎直下落時屈膝與非屈膝等不同的落地方式對膝蓋的影響不同。屈膝落地時（圖2），地面對膝蓋作用力的作用時間較長，屈膝對人體膝蓋有緩沖的作用；而非屈膝落地時，地面對膝蓋的作用力會更大，作用時間相對較短。通過測量不同落地方式的豎直法向力大小和作用時間，探究、對比屈膝和非屈膝兩種落地方式對人體的沖量。

圖2 屈膝落地示意圖

2.3 前腳掌著地與后腳掌著地

跑步時會考慮應該前腳掌著地或者后腳掌著地的問題，不同著地方式的部位和機制有所不同[4]，作用力大小和作用時間可能不相同。前腳掌著地時先由前腳掌外側著地，然后過渡到前腳掌內側，最后才是后腳跟點地，如圖3（a）所示；而后腳掌著地時先由后腳跟點地，然后迅速過渡到前腳掌外側，最后過渡到前腳掌內側，如圖3（b）所示。

圖3 前腳掌著地與后腳掌著地示意圖

通過測量人在跑步的時候豎直方向的法向受力情況，探究、對比前腳掌著地與后腳掌著地時的沖量。實驗中被測者盡可能控制跑步速度、跑步高度一致，多次通過二維力平臺后，選擇面積相近的2組數(shù)據(jù)進行對比研究。

3 實驗操作過程及實驗數(shù)據(jù)處理

3.1 探究實心球與彈簧和厚木塊相碰的沖量

3.1.1 實驗操作過程

（1）將二維力平臺放置在水平地面上，與數(shù)據(jù)采集器連接，再與筆記本電腦相連，如圖4所示。

圖4 “探究實心球自由下落到彈簧和厚木塊的沖量”實驗裝置

（2）打開 PASCO Capstone，新建一個圖表，選擇縱坐標的測量物理量為“法向力”，橫坐標的測量物理量為“時間”。

（3）設置采樣頻率為100 Hz，放置并固定彈簧于二維力平臺上，對二維力平臺進行調零。

（4）把2 kg的實心球放置在距離平臺1.5 m處，點擊“記錄”按鈕，松手讓實心球自由下落，點擊“停止”。重復測量5次。

（5）撤走彈簧，放置并固定厚木塊于二維力平臺上，對二維力平臺進行調零。

（6）把2 kg的實心球放置在距離平臺1.5 m處，點擊“記錄”按鈕，松手讓實心球自由下落，點擊“停止”。重復測量5次。

3.1.2 實驗數(shù)據(jù)處理

實心球分別與彈簧和厚木塊相碰的結果如圖5、圖6所示。圖5為實心球與彈簧相碰，曲線所圍成的面積為6.09 N·s；圖6為實心球與厚木塊相碰，曲線所圍成的面積為6.17 N·s。說明了同一實心球從同一高度下落，與不同材質的物體相碰時的沖量近乎相等。

圖5 實心球與彈簧相碰的力與時間關系圖

圖6 實心球與厚木塊相碰的力與時間關系圖

對比圖5、圖6可以看出，實心球與彈簧相碰的相互作用力最大值為83.42 N，作用時間為0.13 s；實心球與厚木塊相碰的相互作用力最大值為 135.55 N，作用時間為0.08 s。

由此可見，實心球與彈簧相碰的相互作用力較小，作用時間較長；而實心球與厚木塊相碰的相互作用力較大，作用時間較短。即彈簧對實心球的碰撞有緩沖作用。

3.2 探究屈膝落地與非屈膝落地的沖量

3.2.1 實驗操作過程

（1）將二維力平臺放置在水平地面上，與數(shù)據(jù)采集器連接，再與筆記本電腦相連（圖7）。

圖7 “探究屈膝落地和非屈膝落地的沖量”實驗裝置

（2）打開 PASCO Capstone，新建一個圖表，選擇縱坐標的測量物理量為“法向力”，橫坐標的測量物理量為“時間”。

（3）設置采樣頻率為50 Hz，對二維力平臺進行調零，被測者站到二維力平臺上，測出被測者所受的支持力大小為485.10 N，將記錄條件的停止條件設置為“下降至485 N”。

（4）被測者雙手抓住單杠，雙腳離地，點擊“記錄”按鈕；被測者放開雙手，屈膝下落至二維力平臺上；點擊“停止”。重復測量5次。

（5）被測者雙手抓住單杠，雙腳離地，點擊“記錄”按鈕；被測者放開雙手，非屈膝下落至二維力平臺上；點擊“停止”。重復測量5次。

3.2.2 實驗數(shù)據(jù)處理

屈膝落地和非屈膝落地到二維力平臺的結果如圖8、圖9所示。圖8為屈膝落地，圖9為非屈膝落地。屈膝落地時，被測者所受到的最大支持力為1283.57 N，作用時間為0.60 s，曲線所圍成的面積為348.98 N·s；非屈膝落地時，被測者所受到的最大支持力為1641.80 N，作用時間為0.42 s，曲線所圍成的面積為345.22 N·s。即被測者從同一高度落下，屈膝落地與非屈膝落地的沖量近乎相等；屈膝落地時所受到的最大支持力要小于非屈膝落地時所受到的最大支持力；屈膝落地的作用時間比非屈膝落地要大。

圖8 屈膝落地的力與時間關系圖

圖9 非屈膝落地的力與時間關系圖

由此可見，在體育鍛煉等生活情境中，當人從一定高度落下時，屈膝對膝蓋有緩沖作用，更有利于保護膝蓋。

3.3 探究跑步前腳掌著地與后腳掌著地的沖量

3.3.1 實驗操作過程

（1）將二維力平臺、速度傳感器放置于地面上，與數(shù)據(jù)采集器連接，再與筆記本電腦相連，如圖4所示。

（2）打開 PASCO Capstone，新建一個圖表，選擇縱坐標的測量物理量為“法向力”，橫坐標的測量物理量為“時間”。

（3）設置采樣頻率為50 Hz，對二維力平臺進行調零。

（4）站在距離二維力平臺20 m遠處，點擊“記錄”按鈕；勻速跑步通過二維力平臺時，控制前腳掌著地，用速度傳感器檢測跑步速度，多次測量后點擊“停止”。

（5）站在距離二維力平臺20 m遠處，點擊“記錄”按鈕；勻速跑步通過二維力平臺時，控制后腳掌著地，用速度傳感器檢測跑步速度，多次測量后點擊“停止”。

（6）選擇跑速控制在2.0±0.2 m/s范圍內的2組前腳掌著地與后腳掌著地的數(shù)據(jù)進行處理。

3.3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

前腳掌著地跑步與后腳掌著地跑步通過二維力平臺的結果如圖10、圖11所示。圖10為前腳掌著地跑法，圖11為后腳掌著地跑法。前腳掌著地跑步時，被測者所受到的最大支持力為1467.27 N，作用時間為0.39 s；后腳掌著地跑步時，被測者所受到的最大支持力為1674.10 N，作用時間為0.32 s。兩種跑法的作用力大小和作用時間不同。就兩種跑法的總沖量而言，前腳掌著地跑法和后腳掌著地跑法基本相同。

圖10 前腳掌著地的力與時間關系圖

圖11 后腳掌著地的力與時間關系圖

4 總結

抓單杠落地、跑步是生活中常見的運動，以何種方式落地、跑步是值得思考的問題。通過設計拓展性實驗，將知識與實際生活聯(lián)系起來，體現(xiàn)了物理問題的生活化，也為學生后續(xù)學習動量守恒定律、反沖等知識奠定基礎。與此同時，設計拓展性實驗加深了學生對沖量的概念和實際意義的理解，培養(yǎng)了學生的科學探究興趣，提高了學生的動手能力和創(chuàng)新實踐能力。

除此以外，PASCO實驗系統(tǒng)的實驗方法利用了現(xiàn)代化的信息技術手段，相較于傳統(tǒng)的實驗更為直觀，可直接用于戶外實驗，有利于學生利用第二課堂進行探究實驗，有利于對學生進行STSE教育，培養(yǎng)和發(fā)展學生的自主學習和探究能力，發(fā)展物理學科核心素養(yǎng)。