基于DIS 驗(yàn)證變力作用下的動(dòng)量定理實(shí)驗(yàn)

趙登峰

摘? ?要：通過DIS可以回避數(shù)學(xué)知識不足，直觀地給出變力作用一段時(shí)間的沖量以及物體在此變力作用下動(dòng)量的變化量，直接比較二者數(shù)值，驗(yàn)證了變力作用下的動(dòng)量定理。

關(guān)鍵詞：DIS；變力；沖量；動(dòng)量定理

變力作用下動(dòng)量定理依然成立并且在電磁感應(yīng)單桿模型求位移中有非常重要應(yīng)用[ 1 ]，然而變力作用下的動(dòng)量定理在高中階段由于數(shù)學(xué)知識不夠無法直接證明推導(dǎo)。采用DIS可以有效解決該問題，通過計(jì)算機(jī)專用軟件可以非常直觀驗(yàn)證變力作用下的動(dòng)量定理依然成立。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

2? 實(shí)驗(yàn)原理

在軟件界面中輸入小車質(zhì)量以及擋光片厚度數(shù)值，推動(dòng)小車通過光電門傳感器后，軟件會(huì)計(jì)算出通過光電門的瞬時(shí)速度以及此時(shí)的動(dòng)量，此后小車上彈簧與力傳感器測鉤碰撞，軟件會(huì)記錄力隨時(shí)間的變化關(guān)系，然后小車返回再次經(jīng)過光電門，軟件會(huì)再次計(jì)算出通過光電門的瞬時(shí)速度，還有此時(shí)的動(dòng)量。軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算動(dòng)量的變化量，通過選擇有效區(qū)域后，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)算面積也就是變化的力的沖量。這樣就可直接比較動(dòng)量變化量與變化的力的沖量在數(shù)值上是否相等。

3? 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

在小車上安裝寬度為0.02 m 的擋光片，在小車前端安裝彈簧圈，用電子稱測出其質(zhì)量0.081 kg，將其放置于軌道上，點(diǎn)開專用軟件，輸入質(zhì)量，擋光片厚度等數(shù)值，依次點(diǎn)擊傳感器調(diào)零，開始記錄，然后用手推動(dòng)小車使其先通過光電門，再與力傳感器碰撞，最后返彈回再次經(jīng)過光電門，軟件會(huì)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，測量結(jié)束。再點(diǎn)擊面積值（沖量I），選擇有效區(qū)域后會(huì)自動(dòng)顯示沖量的大小。本次實(shí)驗(yàn)中，通過給小車依次增加0.050 kg金屬塊來改變小車質(zhì)量，進(jìn)行8次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄如圖2中（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）所示。

由表格數(shù)據(jù)可以得出，隨著小車質(zhì)量增加，相對誤差越來越小，除1、2組相對誤差較大外，其他組實(shí)驗(yàn)相對誤差均在0.5%以內(nèi)，有力地證明了在誤差允許的范圍內(nèi)，變力作用下動(dòng)量定理同樣成立。

4? 實(shí)驗(yàn)小結(jié)

利用DIS有力地證明了變力作用下動(dòng)量定理依然成立，通過整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，可以讓學(xué)生對動(dòng)量定理的理解更加深刻。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)中有用到圖像面積對應(yīng)力的沖量，通過該實(shí)驗(yàn)過程可以訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維，有利于學(xué)生去解決日常生活情境中一些變力作用下的物理問題。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 李元法.運(yùn)用動(dòng)量定理妙解電磁感應(yīng)中的單桿問題[J].物理之友，2017，33（5）：35-37.