用DISLab探究加速度與力\\質(zhì)量的關(guān)系

摘要 本文利用DISLab對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集功能和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)處理軟件分析功能，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。

關(guān)鍵詞 Dislab牛頓第二定律 控制變量法 數(shù)據(jù)處理

在中學(xué)物理教學(xué)中，牛頓第二定律的應(yīng)用貫穿了靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等知識(shí)內(nèi)容，其地位和作用不言而喻。目前高中試驗(yàn)中，往往采用傳統(tǒng)定性判斷實(shí)驗(yàn)得出牛頓第二定律，效果不是很理想。本文將利用DISLab(數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室)實(shí)驗(yàn)探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系，根據(jù)DISLab實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集功能和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)分析軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析功能，總結(jié)得出牛頓第二定律。

1 DISLab系統(tǒng)

DISLab即數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Digital Information Sys－tern Laboratory)。它是在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)加載智能化的傳感器、數(shù)據(jù)采集器和實(shí)驗(yàn)分析軟件包構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

DISLab主要由以下三部分組成：(1)智能傳感器；(2)數(shù)據(jù)采集設(shè)備；(3)計(jì)算機(jī)及其分析處理軟件。

DISLab有如下優(yōu)越性：

(1)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地采集實(shí)驗(yàn)信息，因而在分析物理動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題上有著不言而喻的優(yōu)勢(shì)。(2)用傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)比較精確，實(shí)驗(yàn)誤差較小，這就使物理學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或驗(yàn)證更有嚴(yán)謹(jǐn)性和可信性。(3)可以使抽象的物理過(guò)程和概念具體化，有利于優(yōu)化課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，突破重點(diǎn)難點(diǎn)。(4)可以使微觀現(xiàn)象直觀化，把微觀的物理過(guò)程生動(dòng)、形象地展示在學(xué)生面前，使學(xué)生認(rèn)識(shí)加深，更易形成概念。(5)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)處理，可自動(dòng)生成圖表，簡(jiǎn)便、快速，節(jié)省時(shí)間。(6)可以活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)記憶，積極參與教學(xué)，提高課堂教學(xué)效率。

DISLab是信息技術(shù)在理科實(shí)驗(yàn)中的重要應(yīng)用。它的應(yīng)用主要是基于新課程的理念與思想，即培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)的能力——利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等工具開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。運(yùn)用DISLab可以節(jié)省時(shí)間、提高效率，學(xué)生能更加集中精力，有更多的時(shí)間觀察、思考和探究，培養(yǎng)學(xué)習(xí)的方法和科學(xué)精神。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

主要由DIS系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)采集器、光電門傳感器、計(jì)算機(jī)、軌道、雙U型擋光片、支架、天平、砝碼、鉤碼、小桶等組成。實(shí)驗(yàn)裝置按如下圖1連接所示

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)記錄

提出“控制變量”的思想方法。

即：在存在兩個(gè)(或多個(gè))影響因素的情況下，控制一個(gè)量不變，研究其余兩個(gè)量間的關(guān)系的方法。并由此將本實(shí)驗(yàn)分解成兩個(gè)部分。

(1)保持小車質(zhì)量(m)不變，研究小車運(yùn)動(dòng)的加速度(a)與所受作用力(F)的關(guān)系。

(2)保持小車所受作用力(F)不變，研究小車運(yùn)動(dòng)的加速度(a)與小車及砝碼質(zhì)量(m)的關(guān)系。

a 保持小車的質(zhì)量不變

①先用天平測(cè)出小桶的質(zhì)量。

②將軌道放在水平桌面上，把雙u型擋光片固定在小車上。

③將光電門傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的二通道，同時(shí)將光電門傳感器放置在軌道的中部并固定在支架上。使小車上的擋光片能夠順利通過(guò)光電門。打開電源開關(guān)，選擇“聯(lián)機(jī)工作模式”并按“E”。

④打開DIS系統(tǒng)軟件，進(jìn)入“專用實(shí)驗(yàn)(物理)——高中——力學(xué)——加速度與拉力的關(guān)系”。

⑤輸入擋光片的寬度。在小桶內(nèi)裝入5克砝碼，并將其質(zhì)量與小桶質(zhì)量之和填入軟件界面中。

⑥單擊控制界面上的“開始”采集按鈕。將小車放在軌道上，由靜止釋放，可以采集到一組數(shù)據(jù)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在小桶內(nèi)分別裝入5克、10克、15克、20克砝碼時(shí)，可以采集到多組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。測(cè)量完畢后，點(diǎn)擊“畫圖”按鈕和“擬合”按鈕，所得圖形如下圖2所示。(注意：將小車放回釋放位置時(shí)，小車上的擋光片不能通過(guò)光電門。)

b 保持小桶和砝碼的質(zhì)量不變

①先用天平測(cè)出小桶的質(zhì)量、小車和雙U型擋光片的質(zhì)量和。

②將軌道放在水平桌面上，把雙U型擋光片固定在小車上。

③將光電門傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的第二通道，同時(shí)將光電門傳感器放置在軌道的中部并固定在支架上。使小車上的擋光片能夠順利通過(guò)光電門。打開電源開關(guān)，選擇“聯(lián)機(jī)工作模式”并按“E”。

④打開DIS系統(tǒng)軟件，進(jìn)入“專用實(shí)驗(yàn)(物理)－高中－力學(xué)－加速度與質(zhì)量的關(guān)系”。

⑤輸入擋光片的寬度。單擊控制界面上的“開始”采集按鈕。將小車放在軌道上，靜止釋放，可以采集到一組數(shù)據(jù)。重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在雙U型擋光片上依次增加50克砝碼，可以采集到多組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，點(diǎn)擊“畫圖”按鈕和“擬合”按鈕，進(jìn)行擬合分析，所得圖形如下圖3所示。(注意：將小車放回釋放位置時(shí)，小車上的擋光片不能通過(guò)光電門。)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得圖2分析可知，當(dāng)保持小車質(zhì)量(m)不變時(shí)，小車運(yùn)動(dòng)的加速度(a)與所受作用力(F)圖像呈過(guò)原點(diǎn)的傾斜的直線，故m不變，a∝F

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得圖3分析可知，當(dāng)保持小車所受作用力(F)不變時(shí)，小車運(yùn)動(dòng)的加速度(a)與小車及砝碼質(zhì)量(m)圖像呈無(wú)限向兩軸靠近但總不相交，故F不變，a∝1/m

綜上所述，可得出結(jié)論：物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比——即牛頓第二定律。

參考文獻(xiàn)

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