傳感器研究“細線會不會被拉斷”＊

謝紫娟 邱胤發

（1.玉林師范學院，廣西 玉林 537000；2.賀州市平桂管理區教育局，廣西 賀州 542601）

動量定理是力學中一個重點內容，而關于動量定理的理解和具體的應用是學生學習的難點.文中運用力傳感器對課本中“做一做——細線會不會被拉斷”進行了實驗，成功地突破了重點和難點，力傳感器實時記錄了實驗過程中力的變化情況，使學生全面地了解真實的物理過程，理解掌握動量定理，在實際教學中取得了較好的效果.

1 實驗設計

實驗設備有數字化實驗系統（DIS）包括計算機、數字采集器、力傳感器（－20～20N）、軟件、細線、普通橡皮筋和重物（100g）等.如圖1所示為用傳感器研究“細線會不會被拉斷”的實驗示意圖和實物圖.

（1）將計算機和數據采集器用數據線把連接起來，然后將力傳感器固定在鐵架臺上，重物分別用細線和細線上端拴一段橡皮筋懸掛在力傳感器上，力傳感器與數據采集通道相連接，并啟動數字化實驗室系統軟件，如圖1所示.

圖1

（2）打開數字化實驗室系統軟件菜單，設置數據采集取樣點時間間隔為0.5ms.為了實時動態記錄和觀察重物從同樣的高度釋放細線受力的情況，將顯示模式換成波形模式，同時打開和數據記錄功能.

（3）點擊開始采集數據按鈕，繪制“時間－力”曲線，通過“圖形控制”功能，擴大縱、橫坐標，“時間－力”曲線顯示如圖2和圖3所示.

____圖2為重物用細線懸掛在力傳感器上的情況，A為細線開始受力點（傳感器沒有校正），B為細線受力最大即拉斷點.由A點到B點經歷了0.0199s，細線承受的最大拉力即拉斷時為7.7568N.B點后的圖線為細線拉斷后，傳感器震動情況，直到平衡.

圖2

在圖3中，重物用細線上端拴一段橡皮筋懸掛在力傳感器上的情況.可以看出，橡皮筋在瞬時外力作用力下的形變并不是簡單地滿足胡克定律，而是存在更為復雜的滯后現象.C為開始受力點，D為細線上端拴一段橡皮筋受力最大點沒有被拉斷，由C點到D點所經歷的時間為0.0512s，是A點到B點所經歷時間的2.57倍，端拴一段橡皮筋的細線承受的最大拉力為5.9052N，與細線承受的最大拉力7.7568N相比，減小了1.8516N，端拴一段橡皮筋的細線不會被拉斷.

在相同高度和相同重物下，重物分別用細線和細線上端拴一段橡皮筋自由下落.當細線開始承受拉力時，它們的動量變化量相同.根據動量定理，重物分別對細線和上端拴一段橡皮筋的細線沖量也相等，而A點到B點經歷了0.0199s，C點到D點所經歷的時間為0.0512s，細線上平均拉力是上端拴一段橡皮筋的細線上平均拉力的2.57倍.顯然，上端拴一段橡皮筋的細線不易拉斷，橡皮筋起到緩沖器的作用.

圖3

2 實驗總結

“DIS實驗系統”是運用現代信息技術手段進行實驗的簡稱，比傳統實驗具有簡單操作、靈敏度高、實時記錄、數據處理快、效率高的優點.將傳感器技術與傳統實驗裝置結合，不僅解決了有關動量定理的問題，而且完美地記錄了作用過程中瞬時力的變化情況，使學生全面地了解真實的物理過程，理解掌握緩沖原理.“DIS實驗系統”能緊扣實驗原理，還能使傳統物理實驗得到補充、擴展和創新，在實驗課中和課后為學生準備多種有趣的創新實驗和探究活動，能激發學生們學習物理的興趣、指導學生獲取知識和應用知識，培養學生創新能力.

1 李渝翔，劉艷春.用DIS進行橡皮筋滯后現象的實驗研究［J］.物理教學探討，2006（13）：58－59.

2 唐利芳，陳娜娜等.拉伸方式對橡皮筋的彈力與伸長關系的影響［J］.物理教師，2013（4）：43－44.