應(yīng)用數(shù)據(jù)采集器定量驗證動量定理.doc

應(yīng)用數(shù)據(jù)采集器定量驗證動量定理應(yīng)用數(shù)據(jù)采集器定量驗證動量定理 摘要：通過實驗驗證動量定理是學(xué)生理解和掌握動量定理的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，但在碰撞、打擊等過程中，由于作用時間較短，無法用常規(guī)實驗儀器測量F和t，傳統(tǒng)教學(xué)中只能定性地演示和說明，缺乏足夠的說服力。文章在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上采用計算機(jī)輔助物理實驗，通過數(shù)據(jù)采集器定量的驗證了動量定理，以詳實的實驗數(shù)據(jù)和實驗過程圖像，彌補(bǔ)了定性實驗的不足，增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識的同時拓寬了研究的空間。關(guān)鍵詞：動量定理；實驗研究；定性實驗；定量實驗；數(shù)據(jù)采集器Application Data Acquisition Validate Momentum TheoremAbstract: The paper confirms the momentum theorem is an the important teaching link which through the experiment is the student understood and grasps the momentum theorem, but in process such as collision attack and so on, for the response time is very short, is unable to survey F and t with the conventional experiment instrument, it can only the qualitative demonstration and the explanation in the traditional teaching, lacks enough persuasive power. The article uses the computer auxiliary physics experiment at traditional experiment foundation, through the data acquisition quota confirmation momentum theorem, by the detailed empirical datum and the experimental process picture, has made up the qualitative experimental insufficiency, strengthened the student perceptual knowledge simultaneously to open up the research space.Keywords: momentum theorem; experimental study; qualitative experiment; quantitative experiment; data acquisition 1引 言美國PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”Science workshop是將數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用于物理實驗的嶄新系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的實驗相比具有很強(qiáng)的優(yōu)勢1。它由三部分組成：傳感器；數(shù)據(jù)采集器；電腦及軟件（DISlabV5.0）。用該實驗系統(tǒng)做實驗，能使實驗操作簡單、設(shè)計新穎，即可做定量實驗，又可做定性實驗；實驗過程中利用數(shù)據(jù)采集器真實記錄實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生能立即看到實驗結(jié)果，花較短的時間記錄和處理數(shù)據(jù)及圖像；另外數(shù)據(jù)采集器與計算機(jī)結(jié)合能提高實驗的測量精度，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果的自動輸出，消除傳統(tǒng)實驗中多次采樣造成的誤差。把數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用于物理實驗，能夠準(zhǔn)確、真實、定量的完成實驗，能使許多復(fù)雜的問題迎刃而解。文獻(xiàn)2采用氣墊導(dǎo)軌配合運(yùn)動傳感器、數(shù)據(jù)采集器來完成實驗，整個過程通過兩組實驗來完成的：第一組是保持外力不變，通過改變物體的質(zhì)量來驗證加速度變化的情況，在Vt圖中擬合成直線；第二組是保持物體質(zhì)量不變，通過改變物體所受外力來驗證加速度變化的情況，在Vt圖中擬合成直線，從而定量的驗證了牛頓第二定律：F=ma 。由此可見，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集器的確能精確的驗證牛頓第二定律,這是傳統(tǒng)實驗無法比擬的。文獻(xiàn)3介紹動量定理時，通常從牛頓第二定律引入，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其中是物體運(yùn)動的初速度，是物體運(yùn)動的末速度，和t是速度從變到過程中的平均作用力和時間。從該公式可看出：如果物體的動量變化（即沖量）一定，則其所受作用力的作用時間越短，這個力就越大；受力的作用時間越長，作用力就越小。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，主要利用一些定性的演示實驗來分析說明動量定理，例如：“雞蛋落地而不碎” 、“瓦碎蛋全”、“緩沖實驗”3，在現(xiàn)代的教學(xué)理念中顯得沒有足夠的說服力。本文立足于傳統(tǒng)實驗基礎(chǔ)，采用數(shù)據(jù)采集器定量驗證牛頓第二定律的研究方法2，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集器對動量定理進(jìn)行定量研究。實驗器材是美國PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”物理實驗系統(tǒng)的傳感器、數(shù)據(jù)采集器和DISlabV5.0軟件（繪制Ft曲線），能快捷地定量驗證動量定理：即動量變化一定的物體，其受力和作用時間成反比的關(guān)系。2恒力作用下動量定理的理論推導(dǎo)及表述4如圖1所示，若質(zhì)量為m，初速度為的物體，在力F作用t時間后速度變?yōu)?，則有： 圖1物體在恒力作用下的動量變化 即物體所受合外力的沖量等于物體的動量變化,這一結(jié)論就叫動量定理。我們應(yīng)注意的是，動量定理雖是在恒力情況下推導(dǎo)出來的 ，但它對于變力仍然適用，并且變力在生活中更為普遍，例如：在乒乓球與球拍碰撞過程中，用球棒打擊壘球，用鐵錘釘釘子等，乒乓球、壘球、釘子受到的就不是恒定的外力，如果知道動量變化就可以應(yīng)用動量定理求出這個變力的等效恒力，即變力的平均值。3動量定理的定性實驗驗證及分析3.1“雞蛋落地而不碎” 實驗設(shè)計：在地面上放一塊海綿（或松軟的細(xì)沙），然后讓雞蛋從50厘米高處自由下落到海綿（或松軟的細(xì)沙）中7。實驗現(xiàn)象：雞蛋落在海綿（或松軟的細(xì)沙）而不破。實驗分析：選定豎直向下為正方向，質(zhì)量為m的雞蛋從高h(yuǎn)米處自由下落，初速度為 。剛剛達(dá)到海綿表面的速度為，最后靜止為，雞蛋剛到海面一直到靜止的時間為t，若時間t內(nèi)地面對雞蛋的平均作用力為F。則有：從該公式可以看出：雞蛋從同一高度落到地面，與地面碰撞到靜止的過程中動量變化 （即沖量）一定，則。那么作用的時間越短，作用力就越大；作用時間越長，作用力就越小?？芍u蛋落在海綿（或松軟的細(xì)沙）沒有破說明：海綿（或松軟的細(xì)沙）使雞蛋受力作用時間t變長，從而減小作用力F。3.2“瓦碎蛋全”實驗實驗設(shè)計：如圖2所示實驗是高中物理課本的一個典型實驗，在軟墊上放著四個雞蛋，再在雞蛋上面放上三本軟皮書本，書本上面是一塊瓦片，然后用錘擊打瓦片。實驗現(xiàn)象：當(dāng)錘擊打在瓦片上時看到堅硬的瓦片碎了，而雞蛋完好無損。圖2 “瓦碎蛋全”實驗實驗分析：當(dāng)錘擊打在瓦片上時，瓦片碎了而雞蛋完好無損。從這個現(xiàn)象我們可以判斷雞蛋受到的力比較小，而瓦片受到的力比較大。為什么會“瓦碎蛋全”呢？原因是錘子加在瓦片上時，瓦片和雞蛋的動量變化相同，即沖量一定，但是力直接作用在瓦片上的作用時間非常短，故作用力比較大；而加在雞蛋上的作用力經(jīng)軟皮書本緩沖而延長了作用時間，使作用力變得比較小，因而雞蛋沒有破。3.3 緩沖實驗實驗設(shè)計：如圖3所示裝置，質(zhì)量相等的兩個小球分別用相同長度的細(xì)線和橡皮筋掛在鐵架臺上，同時從同一高度釋放靜止的兩個小球。實驗現(xiàn)象：結(jié)果細(xì)線斷了，而橡皮筋沒有斷。 圖3緩沖實驗實驗分析：小球從同一高度落下，在達(dá)到細(xì)線和橡皮筋自然長度時，獲得相同的速度，隨后小球分別受細(xì)線和橡皮筋的作用而靜止，有：和，然而，在實驗過程中，橡皮筋伸長，延長了作用時間，所以變??；而用細(xì)線連接的小球作用的時間較短， 較大，所以細(xì)線斷了。上面的三個實驗，采用了不同的實驗方法，但實質(zhì)都是一樣的，既通過延長物體的受力作用時間t，而減小物體的作用力，從而驗證。然而實驗是否能達(dá)到我們想要的結(jié)果？ “雞蛋落地而不破”中，從雞蛋的破碎固然可以知道雞蛋受力的大小，但僅憑人的直觀感覺判斷落在海綿上的雞蛋碰撞作用的時間變長，沒有足夠的理由；“瓦碎蛋全”實驗中，我們根本無法判斷出或看出軟物延時的過程，僅從瓦片碎了而雞蛋完好無損這個現(xiàn)象來判斷它們之間的作用時間的長短，這并不能令人信服；“緩沖實驗”中，我們能很清楚的看到小球的受力時間,但細(xì)線和橡皮筋所能承受的最大拉力并不相同，因此從“線斷了”的現(xiàn)象不能說明。所以用上面的三個定性實驗來驗證動量定理，顯然缺乏足夠的說服力。 4 動量定理的定量實驗驗證4.1實驗設(shè)計及理論分析DISLabV5.0能將實驗數(shù)據(jù)數(shù)字化、圖像化，它能對物理實驗實時控制及對實驗數(shù)據(jù)的自動化采集和處理，以定量的形式分析處理實驗，彌補(bǔ)了定性實驗的不足之處。美國PASCO公司生產(chǎn)的“科學(xué)工作室”物理實驗系統(tǒng)。它通過數(shù)據(jù)采集器采集實驗信息，然后由DISLabV5.0軟件準(zhǔn)確及時記錄實驗過程中Ft的變化,能準(zhǔn)確定量的說明：動量變化一定的物體，其受力和作用時間的關(guān)系。如圖4所示，只要把傳統(tǒng)的實驗裝置和相應(yīng)的傳感器結(jié)合，接到數(shù)據(jù)采集器上，就可以在電腦顯示屏上同步顯示該物理量隨時間的變化關(guān)系。其特點是，對于一些瞬時變化的物理過程，能夠提供過程變化的真實數(shù)據(jù)，并擬合成曲線。從而可進(jìn)一步拓寬物理過程的探究空間。圖4利用數(shù)據(jù)采集器驗證動量定理實驗裝置具體操作是把力傳感器豎直固定在鐵架臺上，使力的感應(yīng)端朝上，選擇一小球，分別讓小球從同一高度自由下落到力傳感器的感應(yīng)端上和墊有輕質(zhì)軟物的感應(yīng)端上，在每次實驗的同時打開數(shù)據(jù)采集器軟件，這樣隨著實驗的進(jìn)行，采集器將同步把碰撞力隨時間變化的數(shù)據(jù)記錄到電腦中，由軟件做處理給出Ft圖像。能夠很清楚地給學(xué)生展現(xiàn)兩次不同的過程中作用力和時間的關(guān)系。 本次實驗選擇50克鋼球作為重物從同一高度自由下落，數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)用DISLabV5.0軟件處理。實驗數(shù)據(jù)及圖像如圖5所示： 運(yùn)行#1：小球落到墊有海綿的傳感器上。 運(yùn)行#2：小球直接落到力的傳感器上。 圖5利用數(shù)據(jù)采集器驗證動量定理實驗數(shù)據(jù)和圖象4.2實驗數(shù)據(jù)、圖像的分析對實驗圖像、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出在碰撞過程中：#2作用力明顯大于#1（墊有海綿）作用力，其最大作用力的大小為 26.47N ，平均作用力為8.86 N，其碰撞作用時間為 0.0009 S；而#2作用時間小于#1（墊有海綿）的作用時間，其最高峰值力的大小為 17.72N，平均作用力為13.24N，其碰撞作用時間為0.0013S ，兩次沖量的值分別是0.011518N.S 和0.011912N.S。在誤差允許的范圍內(nèi)可知兩個值近似相等，說明動量變化一定的物體，其受力和作用時間的乘積是一定值，當(dāng)作用時間增大時，作用力變??；而作用時間減小時，作用力增大。其實在中學(xué)數(shù)學(xué)知識范圍內(nèi)，也可知道曲線與橫軸夾的面積是該碰撞物體所受的沖量。 4.3 歸納總結(jié)，深入研究用計算機(jī)來輔助物理實驗，不僅要明確物理實驗原理，還必須具備計算機(jī)操作和軟件使用技能。本實驗要求對DISLabV5.0軟件使用非常熟練，在實驗中，把實驗裝置組裝好以后必須要對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，否則會導(dǎo)致實驗誤差比較大，還要注意一點是，當(dāng)重物開始下落時，必須及時按“開始”按扭，快或慢都可能采集不到數(shù)據(jù)，因為整個實驗的時間非常短。更為重要的一點是通過真實的實驗過程，可以清楚看到，碰撞物體受到的力并不是恒力。通過圖(6)的數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)，在碰撞過程中，碰撞力并不是恒定不變的，而是隨時間變化很快的力。在中學(xué)物理教學(xué)中的處理是一種理想化的模型，通常把F看作整個碰撞過程中的平均作用力。5 結(jié)論通過對動量定理的定量實驗研究，我們得到了：在動量變化一定時，其受力和作用時間的關(guān)系，即所受作用力的時間越短，這個力就越大；受力的時間越長，該力就越小，這與理論推導(dǎo)的結(jié)果“ ”和定性實驗研究的結(jié)論是一致的，但它更有說服力，因為它有充分的實驗數(shù)據(jù)支持。計算機(jī)技術(shù)引入已成為物理教學(xué)的重要組成部分，它可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)中熟悉數(shù)字化環(huán)境，加強(qiáng)物理課程內(nèi)容與科學(xué)技術(shù)的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變。其次，物理課程與信息技術(shù)整合，構(gòu)筑信息技術(shù)平臺，建立數(shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System）實驗室，符合時代的要求。6數(shù)據(jù)采集器和傳感器應(yīng)用于實驗教學(xué)，能適時采集、處理實驗數(shù)據(jù)，并顯示相應(yīng)實驗過程和圖像，使實驗過程快捷，高速，實驗結(jié)果實現(xiàn)“物理模型的圖像化”；能夠吸引學(xué)生保持足夠的注意力，有助于他們在“現(xiàn)象和規(guī)律”間建立聯(lián)系，強(qiáng)化對物理知識的認(rèn)知；由于它的準(zhǔn)確、快捷，縮短了實驗時間，為師生節(jié)省了大量時間而用于探索研究，客觀上實現(xiàn)了課程改革的理念。引入DISLabV5.0，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗中多個測量空間，例如，速度、加速度、壓強(qiáng)等；解決了多種物理精確采集問題9。再加上相對完善的數(shù)據(jù)處理軟件，可以設(shè)計出很多借助傳統(tǒng)實驗裝置想做而做不好的實驗，充分挖掘物理實驗的資源價值，提高實驗的探索性層次。參考文獻(xiàn)1 美國PASCO公司“科學(xué)工作室”實驗系統(tǒng)Z.2 賴?yán)蝻w,王笑君.應(yīng)用數(shù)據(jù)采集器定量驗證“牛頓第二定律”J.物理實驗.2004,25(1):52.3人民教育出版社物理室全日制普通高級中學(xué)課本.物理(第一冊)(實驗本,必修)M.北京:人民教育出版社.2001:57.4任志鴻.高中新教材優(yōu)秀教案(高二物理.上)M.海口:南方出版社.2004,5:1015.5朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室.用戶手冊M.上海市中小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心.2004,12:1417.6 賴?yán)蝻w,王笑君.數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用于物理探究性學(xué)習(xí)的探討J.物理實驗.2004,7(5):3233.7耿宜宏.動量定理探究式教學(xué)設(shè)計J.中小學(xué)教學(xué)研究.2003,