“超重与失重”中DISLab实验的改进与创新

张先炜

贵州省贵阳市清华中学(550025)

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》指出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,形成系统研究方法和理论体系[1]。人教版高中物理教材中的“超重与失重”这一节内容较好地囊括了以上要点。在教学中,“思考与讨论”项目栏介绍了DISLab演示实验[2],学生通过实验认识超重与失重现象,该实验中DISLab可将数据可视化,但也有一些不足,为此笔者在实际教学中对DISLab实验进行改进和创新。

1 设计背景

在“超重与失重”这一节的“思考与讨论”环节中,人站在力传感器上完成下蹲动作,要求学生观察计算机采集的图线。而实际教学中,许多学校没有配备传感器等实验器材,部分教师选择忽视此部分教学内容或是播放相关实验视频,让学生分析超重与失重的情况。有的学校配备有DISLab传感器器材,教师们往往用力传感器挂重锤的方式进行实验,在DISLab软件中自动绘出F-t图像,然后回顾F-t图像对应的重锤运动状态,即向上加速、向上减速、向下加速、向下减速[3],靠回顾缺乏证据的时效性,即此时F-t图像对应的运动状态计算机中没有显示出来。为此,笔者对该实验进行改进。

2 实验改进

2.1 制作材料

铁架台1套、2根橡皮筋、力传感器1个、重锤、软铁丝、细线、无线分体式位移传感器(发射)1个、有线分体式位移传感器(接收)1个、数据采集器、数据线、电脑。

2.2 实验组装

将有线分体式位移传感器(接收)竖直固定在铁架台下端,传感器接收端竖直朝上。将无线分体式位移传感器(发射)与力传感器横竖交叉叠放,用橡皮筋交叉绷紧将两传感器固定,无线分体式位移传感器的发射端及力传感器挂钩的一端同处在下端,用数据线将传感器、数据采集器和电脑连接在一起,手持力传感器使得挂钩将重锤竖直悬挂,让无线分体式位移传感器的发射端对准有线分体式位移传感器的接收端。实验器材组装后的实物图如图1所示。

图1 实验装置图

2.3 实验操作

用该实验装置演示超重与失重现象。先点开DISLab软件系统中的通用版本,设置F-t图像,x-t图像,如图2所示。

图2 DISLab传感器软件界面截图

2.3.1 重锤向上运动

鼠标点击采集控制栏的“开始”按钮。位移传感器的发射端和接收端对准后,手持力传感器快速竖直向上提重锤,直到重锤停止运动。电脑上自动绘制出F-t图像,以及同步绘制出重锤向上运动时的x-t图像,点击屏幕中“其它处理”按钮,对x-t图像进行求导处理,计算机绘制出v-t图像,在电脑屏幕上即可得出F-t图及对应的v-t图。

2.3.2 重锤向下运动

鼠标点击采集控制栏的“开始”按钮,位移传感器的发射端和接收端对准后,手持力传感器悬挂重锤从高处快速竖直向下运动,直到重锤停止运动,电脑上自动绘制出F-t图像,以及同步绘制出重锤向下运动时的x-t图像,点击屏幕中“其它处理”按钮,对x-t图像进行求导处理,计算机绘制出v-t图像,在电脑屏幕上即可得出F-t图及对应的v-t图。

2.3.3 重锤自由落体运动(近似)

为了减轻下落到地面时重锤和传感器的碰撞力度,用软铁丝替代细线,落到地面时将重锤悬挂在力传感器的挂钩上,手持传感器于高处,在实验桌上垫上软的垫子或是厚衣服。点击“开始”按钮,由静止释放力传感器,使得传感器和重锤自由下落,重锤的运动可近似看成自由落体运动,电脑中自动绘制出F-t图像。

3 实验分析

(1)重锤向上运动时,计算机中绘制出的F-t图、x-t图、v-t图如图3所示。

图3 重锤向上运动中DISLab记录的相关图像

(2)重锤向下运动时,计算机中绘制出的F-t图、x-t图、v-t图如图4所示。

(3)重锤做自由落体运动(近似)时,计算机中绘制出的F-t图,如图5所示。

图4 重锤向下运动中DISLab记录的相关图像

学生分析这些从电脑中得到的数据(即实验证据),从图像中获取有用信息,并处理信息,完成表1的记录。

图5 完全失重时对应的F-t图

表1 实验探究现象记录表

4 结束语

本实验在传统的DIS实验基础上进行了改进,增强了数据的可视性[4],以往DIS实验中只能看出拉力随时间变化关系,改进后的实验在F-t图的界面上同步生成了v-t图,将重锤运动中的相关数据可视化地呈现在界面上,学生分析物体运动状态时不用回顾,直接从生成的图中解读相关信息,获取和处理信息的能力得到提升。