改进数据处理方式 发挥DIS绘图功能

江家清　苏桂锋

摘   要：在传统的验证动量守恒定律DIS实验中，学生需要通过计算和判断小车的动量在碰撞前后是否发生变化来验证动量守恒定律，这种数据处理方式未充分运用DIS的绘图功能，使得实验结果欠缺直观性。通过分析小车碰撞前后速度变化量大小之间存在的比例关系，以三次不同质量组合的碰撞实验为例，运用DIS绘图功能对动量守恒定律进行了验证，从而对实验数据的处理方式进行了改进。在此种数据处理方式的基础上，提出了引导学生思考质量影响物体运动状态改变难易程度的相关教学建议。

关键词：DIS实验系统；动量守恒；数据处理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0044-5

动量守恒定律是力学中的重要定律，相关的验证动量守恒定律实验已经成为力学中的一个重要实验，因此长期以来有着大量针对该实验所提出的改进意见。有从创新实验原理的角度进行的讨论，如肖云剑运用动量守恒和胡克定律知识，结合DIS压力传感器，验证动量守恒定律，有着综合性大、可操作性强、结论简单的优点，能很好地訓练学生的知识运用能力［1］。有从创新实验教具的角度进行讨论，如沈咏娜将机械能守恒与动量守恒定律相结合，自制实验教具，设计了一维弹性碰撞和一维弹性对碰的实验，以小球上升的最大摆角作为动量是否守恒的标志［2］。有从运用新的实验系统的角度进行讨论，如张秀梅、刘玲运用DISLab最新研制的系统验证动量守恒，提高学生的观察实践能力［3］。有从改变实验器材的角度进行讨论，例如李林玥通过简化实验步骤，改变实验器材，优化了动量守恒实验方案，不仅实验误差小，还省时省力，容易调节［4］。

虽然在许多角度上对这一实验都有了改进建议，然而在数据处理方面，大多数方案仍采用计算碰撞前后动量变化的方式进行。而且在传统验证动量守恒定律的DIS实验中，其绘图功能往往得不到充分利用，这就使得该实验的数据处理结果欠缺直观性。目前，从改变实验数据处理方式角度的讨论相对较少，本文将尝试从这一角度进行分析。

1    问题的提出

相同的实验数据有不同的处理方式，其中一条重要途径就是运用物理图像。DIS8.0系统本身就具有强大的实验数据处理功能，可以清晰地展现实验变量之间的函数关系，通过对物理图像的解读可以直观地从数据中归纳或验证物理规律。然而，在传统的验证动量守恒定律实验的数据处理过程中，学生是通过提前在表格中设置动量p，在测得两小车碰撞的速度数据后，以计算并对比表格中动量p是否发生变化来判断动量是否守恒。这种单纯的数字对比处理方式没有利用到DIS系统的绘图功能，无法以图像展示的方式让学生直观地理解动量守恒定律。为了使用DIS的绘图功能改善这一状况，就需要从原有的实验数据中找到某个变量与另一个变量的关系，通过验证这两个变量之间满足某一理论值，进而验证动量守恒定律。本文尝试从理论角度出发寻找实验数据间的物理关系，改进原有的实验数据处理方式，充分发挥DIS系统的绘图功能，进一步挖掘验证动量守恒定律实验的意义，帮助学生更深刻地体会动量守恒定律。

2    实验方案

2.1    实验装置

两个朗威光电门传感器及其配件，朗威多用力学轨道，两辆质量不一的小车，三个配重片，两个宽为2 cm的挡光片，两个弹簧圈，电子天平。

2.2    实验原理

2.3    实验步骤

3    实验结果

4    实验数据分析

根据表6的第三、四行数据对比，并结合（6）式可以得出：当某一小车质量保持不变且碰撞前后速度变化量大小相同时，另一小车质量越大，其速度改变量越小，也就是物体的质量越大，对速度的改变也就越难。也就是说我们可以从动量守恒定律的角度反过来认识质量的物理内涵。在具体教学过程中，教师在验证动量守恒后还可以进一步引导学生对小车质量影响物体运动状态改变难易程度进行定性思考。

5    总   结

本文考虑了以下理论关系：各小车碰撞前后的速度变化量大小等于前后速率之和；两小车碰撞前后速度变化量的大小之间存在比例关系，且该比例大小为两碰撞物体质量之比。在此基础上辅以DIS绘图功能，提出改进验证动量守恒定律实验的数据处理方式。通过展示三次不同小车质量组合的碰撞实验，较为直观地展示了对动量守恒定律的验证。

参考文献：

［１］肖云剑．验证动量守恒定律——基于压力传感器的创新实验［Ｊ］．物理通报，２０１８（１０）：８７，９０．

［２］沈咏娜．“验证动量守恒定律”实验的一次新探索［Ｊ］．高中数理化，２０２１（６）：５３．

［３］张秀梅，刘玲．用数字化信息系统（ＤＩＳ）优化和开发高中物理学生实验——以“动量守恒定律实验”为例［Ｊ］．物理教学，２０１６，３８（１２）：２１－２５．

［４］李林玥．论动量守恒实验的相关改进［Ｊ］．科技风，２０１８（３６）：２７９．

（栏目编辑    刘   荣）