基于PASCO系統的加速度研究

鄭少燕，林淑淇，李德安，王笑君

（華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州510006）

1 引 言

加速度是貫穿高中物理的重要物理概念，而傳統的物理實驗只能通過打點計時器或光電門來實現對勻加速度的間接測量，既無法實現對加速度的直接和瞬間測量，也無法實現對變加速度的連續測量與觀察，使得剛接觸該概念的學生無法直觀感知加速度，造成許多學生感到加速度既抽象又易混淆，降低了初學者的學習興趣.

本文利用美國PASCO公司2007年生產的可脫機使用的Xplorer GLX數據采集器［1］、高性能的三維加速度傳感器、運動傳感器及二維力平臺，實現了對瞬間速度、加速度的連續測量，并使用Science Workshop高功能的數據處理軟件Datastudio，實現了實驗數據的實時測量與處理，完成了對加速度與速度關系的探究，以及對生活中加速度進行實驗探究，使學生對加速度概念有了感性認識，形成了鮮明的表象［2］，增強了學生學習及探究的興趣與信心.

2 PASCO系統簡介

PASCO系統是采用傳感器和數據采集器接口，通過Datastudio操作平臺進行控制和數據采集的物理實驗系統［1，3］.利用 Xplorer GLX數據采集器［4-5］進行多種戶內外實驗，同時，在數據采集器的顯示屏或電腦上同步看到相關的實驗數據和圖像.

3 實驗設計與結果分析

3.1 探究加速度與速度的關系

如圖1所示，將三維加速度傳感器與Xplorer GLX數據采集器連接，將數據采集器安裝于小車上，并與電腦連接.將小車置于一軌道上，軌道前半部分為斜面，后半部分為水平面.按下啟動按鈕，待數據采集穩定后，在軌道斜面上無初速地釋放小車，在電腦上可同時得到加速度與速度的變化曲線（如圖2～3所示）.

圖1 探究速度與加速度關系裝置圖

圖2 小車a-t曲線

圖3 小車v-t曲線

通過對圖2～3的分析得：在a-t曲線中的AB段，加速度的大小變化是不穩定的，有時增大有時減小，但在同時測得的v-t曲線中，同一時間段內，速度的大小一直在增加，即可說明，當加速度的大小減小時，速度的大小可以是增加的.同理，在B-C段，加速度的大小變化是先增大后減小的，但在v-t曲線中，速度的大小是一直在減小的，即說明了當加速度的大小增加時，速度的大小不一定也是增加的.

3.2 體驗加速度

3.2.1 測量電梯的加速度，感受超、失重現象

實驗裝置如圖4所示.將GLX與二維力平臺、三維加速度兩傳感器相連，將實驗裝置平放于在電梯中，按下數據采集器的數字表功能，調節二維力平臺低端的調平旋鈕，使其切向力的數值顯示為0，讓1位學生在力平臺上站好，按下GLX的采集啟動按鈕，便可直接在GLX同時觀察到力平臺所受法向力的大小和電梯的加速度.

圖4 體驗電梯加速度實驗裝置圖

實驗完畢后還可將數據進行存盤，并輸入電腦中，用數據處理軟件Datastudio做進一步分析.實驗曲線見圖5～6.

圖5 電梯的a-t曲線

圖6 電梯的F-t曲線

1）從圖5中的可以看出，電梯下降時分為4個階段：AB段加速度大小逐漸增加的變加速下降，BC段的勻減速下降，CD段加速度大小逐漸減小的變加速下降，DE段的勻速下降，相應地，電梯的上升也分為4個階段.由此，可以看到，電梯并非做規則的勻加速上升或勻加速下降，教材中對電梯的處理只是一種簡化的理想狀態.

2）比較圖5和圖6可知：當電梯的加速度a為正值時（包括加速上升和減速下降），此時在電梯中的人的視重均大于實重（實驗人員的實重：40.5kg×9.78N／kg＝396.09N），即處于超重狀態；當加速度a為0時（包括勻速上升、勻速下降和靜止），此時其視重等于實重；當加速度a為負值時（包括加速下降和減速上升），此時其視重均小于實重，即處于失重狀態.從實驗數據中，可以看到在56s時，電梯的加速度達到負值最大，為-0.9m／s2，此時視重達到最小，為356.415 4N.

3）將圖5和圖6進行比較，可以看到：加速度和法向力圖像的走勢、變化是一一對應的.運用Datastudio軟件進行分析，得到圖7所示的電梯的F-a曲線.

由圖7可以直觀看到：F和a成線性關系.斜率反映的是測試員的質量；截距反映的是測試員的實重.

圖7 電梯的F-a曲線

3.2.2 測量公交車在行駛過程中加速度的變化

將連接三維加速度傳感器的GLX水平固定于公共汽車的座椅上，使三維加速度傳感器的Y正方向指向公共汽車的行駛方向，X正方向指向公交車汽車的左邊，Z正方向豎直向上.按下GLX的啟動按鈕即可測量.

通過對圖8進行分析，結合向心力的理論知識，得到公交車行駛過程中的拐彎情況.

圖8 公交車行駛過程中加速度的變化

4 結束語

高功能的數據處理軟件Datastudio實現了對實驗數據的實時記錄與處理，節約了手工作圖和處理數據的時間，減小了人為錯誤，為學生深入思考、探討物理本質提供高效優質的信息.充分利用Xplorer GLX數據采集器可脫機使用的強大功能，增加戶外探究性實驗，讓學生在生活中學習物理，同時將物理運用于生活中，提高學生的學習興趣和探究性學習的能力.

［1］美國PASCO公司.“科學工作室”實驗系統［EB／OL］.http：／／www.pasco.com／.

［2］賴莉飛，王笑君.數據采集器運用于物理探究性學習的探討［J］.物理實驗，2003，23（7）：32-33.

［3］賴莉飛，秦艷芬.數據采集器在數字化物理實驗室建設中的應用與研究［J］.寧波工程學院學報，2011，23（3）：104-107.

［4］賴莉飛，王笑君.自感現象的定量研究［J］.大學物理，2005，24（3）：51-53.

［5］賴莉飛.數據采集器運用于中學物理實驗的研究［D］.廣州：華南師范大學，2004.

［6］張大昌.普通高中課程標準實驗教科書·物理（必修）［M］.北京：人民教育出版社，2006.

［7］保宗悌，布正朋，王笑君，等.普通高中課程標準試驗教科書·物理（必修一）［M］.廣州：廣東教育出版社，2005.

［8］張大昌.關于高中物理教學大綱（試驗修訂版）的幾個問題［J］.學科教育，2000（7）：1-3，19.

［9］張偉，張偉，蔡穎標.基于PASCO平臺的法拉第磁光效應實驗［J］.物理實驗，2011，31（7）：32-36.