DISLab对竖直平面内圆周运动绳子拉力的探究

鲁月华

摘 要：新课程强调科学探究和物理实验， 中学物理教师应科学有效地组织学生进行探究性实验，进行物理实验资源开发。文章通过对一道关于竖直平面内圆周运动题目的解析，得出了绳子受力的变化的结论，通过静力传感器获得绳子拉力的相关图像，并从圖像上得出了拉力的变化情况，进而很好地验证了结论。

关键词：DISLab；圆周运动；绳子拉力

DISLab（Digital Information System laboratory即数字化信息系统实验室，简称DISLab）是在传统的实验仪器的基础上，通过智能化的传感器、数据采集器和实验分析软件组合起来，共同完成对物理量测量的装置。在基于DISLab的实验过程中，我们可以直接在电脑上得到实验数据，并通过图表、图线等具体分析出实验结果，十分直观与简便，大大简化了以往实验课上烦琐的计算过程，既节约了时间，又让学生感到直观易懂。

一、例题分析

在讲解竖直平面内的圆周运动时，我们经常会遇到求解绳子拉力变化的题目。

例：一质量为m的金属小球拴在长为L的细线下端，细线上端固定在O点处，在悬点O的正下方P处钉有一光滑钉子，如图1所示。现将小球拉至悬线水平，然后释放。则：

（1）小球第一次通过最低点过程中，绳子与钉子碰撞的前后，绳子拉力大小会变化吗？

（2）若小球绕着p做圆周运动，绳子所受的最大拉力和最小拉力之差是否为一定值，若为一定值为多少？若不为一定值说明理由。

解析：

（1）小球在最低点受力如图2所示，当绳子碰到钉子前，做圆周运动的轨道半径为绳长L；当绳子碰到钉子后，做圆周运动的轨道半径为r，在最低点：

FT-mg=mv2/R

当R由L变为r时，R减少，由于惯性，小球的速度v保持不变，故绳子拉力FT变大。

（2）小球在最高点和最低点受力如图3所示，设小球做圆周运动的轨道半径为r ，最低点：FT1-mg=mv12/r， 最高点：FT2+mg=mv22/r。

小球由M点运动到B点，由动能定理：，则

大小与r无关，其值为小球重力的6倍。

二、基于DISLab的实验

1.DISLab系统

DISLab主要由以下三部分组成：智能传感器、数据采集设备、计算机及其分析处理软件。DISLab有以下特点：①DISLab改变了传统实验过程中对实验信息与数据的感知方式和采集方式，使实验采集的数据更精确；②DISLab通过计算机和分析处理软件为工具，改变了实验数据的处理方式和结果表达方式，使结果的表达更丰富；③改变了传统实验教学模式。

DISLab是信息技术在理科实验中的重要应用。它的应用主要是基于新课程的理念与思想，基于DISLab实验减少了动手操作即培养学生运用信息技术的能力，培养学生利用现代传感技术、计算机技术等工具开展实验进行探究的能力；对烦琐的数据处理进行了整合，实现了数据采集、处理、描述同步进行的实时实验模式，大大增加了智慧操作的程度，而且让学生有更多的时间来参与更多的探究活动。

2.实验器材及其组装

实验器材： DISLab（数据线、电源线、数据采集器、静力传感器）、电脑、带尼龙绳小钢球一个、铁架台一个、钢丝一根、铁夹一个。

器材组装：如图4所示，将静力传感器固定在铁架台上，并通过数据采集器与电脑连接为探测仪器，再将系小钢球绳的另一端固定在静力传感器的挂钩上。

3. 实验探究过程

（1）探究小球第一次通过最低点过程中，绳子与钉子碰撞的前后，绳子拉力大小变化。使绳子处于水平状态，绳子拉直且刚好松弛。点击Edislab软件“开始”按钮，释放静止的小球，让小球做几个周期的圆周运动后，用手拿一根钢丝（相当于光滑钉子）放在悬点的正下方，得到静力传感器探测端处拉力随时间变化的曲线，如图5所示，分析并得出结论。

可以得出结论：当悬点的正下方没有钢丝时，小球做圆周运动，其所受绳子拉力随时间做周期性的变化，通过最低点拉力约为1.1N。当悬点的正下方固定钢丝时，小球通过最低点，其所受绳子拉力突然变大了，达到2.0N。

（2）探究小球绕着P做圆周运动，绳子所受的最大拉力和最小拉力之差是否为一定值。

此实验分两步：首先用DISLab测出小球的重力，后测出绳子所受的最大拉力和最小拉力之差。

第一步：测出小球的重力。

方法：首先开启数据采集器和Edislab软件，采用“示波”显示；然后使绳子处于竖直状态，小球处于静止状态；再点击Edislab软件菜单栏“清零”按钮；最后点击“开始”按钮，得到静力传感器探测端处拉力随时间变化的曲线，如图6所示。

由图像可知，小球的重力约为0.44N。

第二步：测出绳子所受的最大拉力和最小拉力之差。

方法：先开启数据采集器和Edislab软件，采用“示波”显示；然后将小钢球拉起，使绳子处于水平状态，绳子拉直且刚好松弛，在悬点的正下方固定一根钢丝；再点击Edislab软件菜单栏中“开始”按钮；最后释放静止的小球，得到静力传感器探测端处拉力随时间变化的曲线，改变固定钢丝的位置，即改变半径r，多做几次试验。

如图7所示为半径r=9.5cm时的拉力随时间变化的曲线。

由图像可得到，小球在最低点绳子所受的拉力F1=2.72N，最高点绳子所受的拉力F2=0.32N，故△F= F1- F2=2.40N。而小球的重力等于0.44N，在误差范围内，小球在最低点绳子所受的拉力与最高点绳子所受的拉力之差等于6mg。

如图8所示为半径r=9.3cm时的拉力随时间变化的曲线。

由图像可得到，小球在最低点绳子所受的拉力F1=2.84N，最高点绳子所受的拉力F2=0.38N，故△F= F1- F2=2.46N。而小球的重力等于0.44N，在误差范围内，小球在最低点绳子所受的拉力与最高点绳子所受的拉力之差等于6mg。

可以得出结论：当悬点的正下方固定钢丝时，小球做完整的圆周运动，无论半径如何，小球所受绳子拉力的最大值和最小值之差是一个定值，为小球重力的6倍。

4.结论

DISLab是一种集多类型传感器、多通道数据采集器、多样化自主操控平台以及强大的函数图像处理功能于一体的实验系统，为我们对物理现象进行多视角的研究提供了多元化的研究手段和途径，也就决定了它具有多方面的拓展性，这已成为物理实验教学的重要研究课题。在实际教学活动中，我们要勤于思考，勇于创新，努力研究DISLab与传统仪器以及自制仪器的有效整合途径，充分开发其多元教育教学功能，使之能够更好地为教学服务，为广大一线中学物理教师实验教学的实施提供有用的参考素材。

（作者单位：福建省泉州市泉港第六中学 ）