利用DIS系统研究简谐运动

谢含冰 唐强

摘 要：研究简谐运动，教材设计的弹簧振子实验可以定性研究振子运动过程中速度、加速度、位移及回复力的变化，但不能定量研究力随位移、时间变化的规律，这就为后期简谐运动的图像教学造成了困难.借助DIS系统研究简谐运动，不仅可以定量研究力与位移、力与时间的函数关系，同时，通过曲线拟合，还可以显示力、位移随时间变化的函数图像，让学生更容易理解简谐运动的基本特征和规律.

关键词：简谐运动;DIS系统;函数图像

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）17-0042-02

作者简介：谢含冰（1984-），女，四川遂宁人，本科，中学一级教师，研究方向：高中物理教学;

唐强（1983-），男，四川绵阳人，硕士，中学高级教师，研究方向：高中物理教学.

1 教材实验设计

教材设计了“水平弹簧振子”和“沙摆”两个实验[1]，教材实验从简单的实验现象入手，让学生通过观察实验现象，总结简谐运动的特点，从而建立简谐运动的基本概念，如图1和图2所示.在该过程中，可以培养学生的观察能力和分析能力，以及把实际问题转化为物理模型的能力.

分析教材可以发现：教材实验设计简单，操作容易，通过观察和实验，学生可以建立简谐运动的基本概念，了解简谐运动的基本规律.但是，两个实验不能定量研究力与位移、力与时间的函数关系，而沙摆的研究虽然可以大致看出位移随时间成正弦规律变化，但是对实验操作要求较高，若是模板运动不能匀速，则作出的图像并非正弦或余弦曲线，实验效果很差，因而并不能达到实验目标，这就为后期简谐运动的图像教学造成了困难.

2 实验改进——利用DIS系统研究简谐运动

2.1 实验设计思路

通过DIS系统，显示力和位移随时间的变化规律，利用软件和数据分析，探究简谐运动的周期以及回复力与位移的关系，在此基础上通过控制变量法研究简谐运动周期的影响因素，本实验设计思路如图3所示，利用弹簧在竖直方向做简谐运动，运用传感器建立简谐运动与电脑终端的联系，用数据采集器把简谐运动的每一个状态和过程完全用数据呈现出来，在此基础上应用计算机软件进行数据分析和函数分析，从而获取物理规律.

2.2 实验装置图及器材

本实验所用的实验器材包括：数据采集器、位移传感器、弹簧、重锤、计算机及数据连接线，实验连接图如图4所示.

2.3 实验操作流程

2.3.1 力传感器调零，位移传感器校准

把重物竖直悬挂，待重物静止后，点击“调零”按钮，将静力传感器调零，如图5所示.在以后的运动中，无论重物位置怎么改变，系统会默认此位置回复力为零，即为平衡位置，当重物偏离平衡位置时，就会出现拉力，系统就会记录每一个时刻的拉力大小和方向.

位移是质点相对于参考系的位置变化，要记录位移的变化，必须找出一个参考系，即为基准位置，为了后面操作方便，可以把重物拉到铁架台的最下面，以后每次释放都从基准位置释放，偏离此位置的距离即为位移的大小.

2.3.2 实验内容

（1）观察简谐运动的运动特征，探究位移和力随时间的变化规律

把重物拉到位移基准位置释放，重物上下做简谐运动，振动稳定后点击“开始”，观察回复力、位移随时间变化规律，可以观察到重物在平衡位置两侧来回运动，同时计算机屏幕上可以看出“力和位移随时间周期性变化”（如图6），利用软件“拟合”功能可以找出回复力和位移变化的周期大小.观察实验现象，可以让学生了解简谐运动的基本特征及力和位移变化的正弦曲线，为以后学习简谐运动的图像奠定基础.

（2）曲线拟合：探寻力与位移的变化规律

把力和位移图像同时呈现在一副图（如图7），通过曲线拟合，可以发现：力与位移变化的步调完全一致.分析函数，不难发现，二者变化的周期完全相同，但力和位移的大小不同，但比值是一个常数，实验结果与简谐运动的基本理论是完全吻合的.

（3）改变实验条件，分析影响周期的因素

利用控制變量法，分别改变振子质量和弹簧，重复以上步骤，可以得到结论：振子振动周期与重物的质量无关，与弹簧有关.

2.3.3 数据分析

分析和处理数据是学生实验的重要能力，本实验通过传感器可以获得多组数据，在处理数据时，可以根据需要选择一定数量的数据，引导学生通过数据对比分析，寻找规律等方法来分析数据，培养学生的数据意识及处理数据的能力，分析数据可以发现，经过相同的时间力和位移图像重复，说明力和位移随时间是周期性变化的，通过分析可以发现二者变化的周期是相同的，如图8所示.

可见，无论是实验现象、数据分析，还是曲线拟合，都可以说明，简谐运动是在平衡位置两侧往复运动，力和位移随时间均呈周期性变化，且变化的周期相同;同时，数据和函数反映出“力和位移都有一个最大值，且他们之间的比值是一个常数”.

3 结束语

物理学基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系[2]，在此过程中，需要依托实验平台，逐步培养学生敏锐的观察能力、严密的数据分析能力和逻辑推理能力，因此在教学过程中，教师也应该优化实验设计方案，改进实验设计，增大实验的可视性，让学生通过观察发现物理规律，在此基础上通过数据分析和函数分析深化对概念、规律的理解，并在此过程中熟悉控制变量法、放大法等基本实验方法.

高中物理知识较为抽象，学习难度大，解决问题需要严密的逻辑思维，思维训练也是高中物理教学的一项重要要求，实验不仅是习得知识，解决问题的过程，同时也是培养学生解决问题的能力和形成科学思维的重要手段，这一过程是一个长期的过程，需要教师引导，学生之间交流合作.

参考文献：

[1]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书（选修3-4）[M].北京：教育科学出版社，2005.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-05-26）