單擺法測重力加速度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要： 本文以單擺法測重力加速度實(shí)驗(yàn)為例介紹DIS在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的比較。

關(guān)鍵詞： 單擺法 重力加速度 DIS實(shí)驗(yàn) 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1.引言

在日常的中學(xué)物理教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生建立物理概念和掌握物理規(guī)律是教師的主要工作，而以學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行教學(xué)是一種很好的手段，但是對于一些傳統(tǒng)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)往往和理論值相差較大。這樣，實(shí)驗(yàn)的說服力就較弱了，往往讓授課教師的處境非常尷尬。在“單擺法測重力加速度”這個(gè)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中，我們可以對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，利用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行“單擺法測重力加速度”，這樣可以取得更明顯的實(shí)驗(yàn)效果。

2.DIS的含義

DIS（Digital Information System）實(shí)驗(yàn)技術(shù)，又稱“數(shù)字化信息系統(tǒng)”，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包（教材專用軟件、通用擴(kuò)展軟件）+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功地克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合■。

3.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS實(shí)驗(yàn)在單擺法測重力加速度中的比較

3.1傳統(tǒng)單擺法測重力加速度實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想

如圖1所示，首先將實(shí)驗(yàn)所用儀器：鐵架臺、擺線、秒表、小球放于水平桌面上，將長線把小球吊在支架上，構(gòu)成一個(gè)單擺，即如圖所示裝置。然后用米尺測出擺線長L，用游標(biāo)卡尺測出小球直徑d，用秒表測出n個(gè)周期所用時(shí)間t，根據(jù)單擺周期公式：T=2π■=■，得：g=■，即求出的g為重力加速度。

3.2傳統(tǒng)單擺法測重力加速度實(shí)驗(yàn)中存在的問題

傳統(tǒng)探索單擺法測重力加速度的實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示，實(shí)驗(yàn)存在無法克服的系統(tǒng)誤差，如傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中使用的是秒表，由學(xué)生觀察記錄單擺周期。這就要求操作者不僅細(xì)心，還反應(yīng)快、動手快。如果在操作過程中注意力不集中，把擺動周期數(shù)數(shù)錯(cuò)；或是反應(yīng)不夠快，沒有及時(shí)按下秒表；或是在操作過程中不規(guī)范，在釋放小球時(shí)沒有讓小球和擺線在同一平面內(nèi)擺動，而是在做圓錐擺，這些都會給實(shí)驗(yàn)帶來較大誤差。即使實(shí)驗(yàn)者反應(yīng)靈敏，動作迅速，這樣記下來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也還是有一定的誤差的，這樣得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往很難讓學(xué)生信服，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)本身產(chǎn)生質(zhì)疑。所以，大多數(shù)教師習(xí)慣用“在誤差允許的范圍之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是成立的”這樣的語句來解釋，來打消學(xué)生產(chǎn)生的疑問。長此以往，不但挫傷了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，而且對學(xué)生的人生觀和價(jià)值觀產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。

3.3 DIS實(shí)驗(yàn)對單擺法測重力加速度實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

許多研究者針對上述傳統(tǒng)單擺法測重力加速度實(shí)驗(yàn)中存在的一些問題，做了很多有意義的研究工作，并且圍繞以下兩個(gè)方面進(jìn)行了一些改進(jìn)。

（1）如何定量解決單擺周期的問題。

采用計(jì)算機(jī)、光電門傳感器、數(shù)據(jù)采集器等DIS Lab實(shí)驗(yàn)器材，使小球擺動時(shí)在最低點(diǎn)通過光電門傳感器，由數(shù)據(jù)采集器直接記錄單擺周期。

（2）如何提高學(xué)生計(jì)算準(zhǔn)確率及工作效率。

采用數(shù)字化信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集器采集到數(shù)據(jù)之后直接輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)直接運(yùn)算，要求學(xué)生熟悉計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集器、傳感器的連接與操作，在學(xué)習(xí)新的知識的同時(shí)減小計(jì)算誤差，提高學(xué)習(xí)效率。

4.DIS用于單擺法測重力加速度實(shí)驗(yàn)的開發(fā)設(shè)計(jì)

4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）測定單擺周期，驗(yàn)證單擺振動的等時(shí)性。

（2）利用單擺測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

（3）了解光電門傳感器的使用，學(xué)習(xí)用數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)的方法。

4.2實(shí)驗(yàn)原理

單擺的振動周期不隨幅度的改變而改變，具有等時(shí)性。由單擺周期T=2π（L/g）■，得到重力加速度為g=4π■L/T■。

通過數(shù)字化信息系統(tǒng)平臺，小球擺動到最低點(diǎn)的時(shí)候通過光電門傳感器，測量記錄單擺周期，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出加速度。

4.3實(shí)驗(yàn)儀器

鐵架臺、刻度尺、數(shù)字化信息系統(tǒng)平臺、一個(gè)光電門傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)線、計(jì)算機(jī)、擺線、小球。

4.4實(shí)驗(yàn)過程

（1）將光電門傳感器固定在單擺的平衡位置處并將其接入數(shù)據(jù)采集器第一通道。

（2）在電腦窗口中點(diǎn)擊“光電門設(shè)置”，將擋光片類型改為“單擺”。

（3）逐步調(diào)整傳感器的位置和單擺擺長，使擺球通過傳感器并能夠順利擋光。

（4）打開“計(jì)算表格”，用手使擺球擺動，點(diǎn)擊電腦窗口中“自動記錄”的“開始”，此時(shí)，電腦將會自動記錄單擺的周期，大概記錄20個(gè)周期后，點(diǎn)擊“結(jié)束”，此時(shí)停止記錄數(shù)據(jù)。

（5）測量擺線的長度L（本次實(shí)驗(yàn)為0.5325米）。

（6）點(diǎn)擊計(jì)算表格中的“變量”選擇變量名稱L，并賦予默認(rèn)值為0.5325，點(diǎn)擊“公式”，調(diào)用“力學(xué)”公式庫中的“單擺測重力加速度”公式，注意確認(rèn)公式變量對應(yīng)表格項(xiàng)，計(jì)算出重力加速度的值（圖4）。

（7）比較實(shí)驗(yàn)中測得的重力加速度與當(dāng)?shù)貙?shí)際重力加速度值的差別。（實(shí)驗(yàn)地：安徽蕪湖，9.7944）

在此實(shí)驗(yàn)中要確保光電門的放置始終在單擺的平衡位置，才能進(jìn)一步減少誤差。用本實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行測量，沒有“傳統(tǒng)的系統(tǒng)誤差”，偶然誤差也相對較小，并且能測量多組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常精確可信。實(shí)驗(yàn)簡單精確，值得推廣。

5.采用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢和不足

對比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，采用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行單擺法測重力加速度這個(gè)實(shí)驗(yàn)存在以下的一些優(yōu)勢和不足。

5.1存在的優(yōu)勢

（1）在記錄實(shí)驗(yàn)中周期時(shí)，采用計(jì)算機(jī)、光電門、數(shù)據(jù)采集器等DIS Lab實(shí)驗(yàn)器材，使小球擺動時(shí)到最低點(diǎn)時(shí)通過光電門傳感器，這樣直接由數(shù)據(jù)采集器直接記錄單擺周期，實(shí)際實(shí)驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，通過這種方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的精確程度得到了很大的提高。

（2）對比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，采用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生處理數(shù)據(jù)用去的時(shí)間要相對少很多，這樣教師就可以在同樣的時(shí)間內(nèi)加大實(shí)驗(yàn)探究要素的比重，這樣就可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，很好地發(fā)展學(xué)生的探究能力，即如圖2所示。

5.2存在的不足

（1）采用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所有數(shù)據(jù)的測量工作都是DIS Lab實(shí)驗(yàn)器材完成的，這就對學(xué)生的電腦等非物理技術(shù)要求相對較高，從而使得一部分學(xué)生在剛接觸DIS Lab實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，會有無從下手的感覺。

（2）采用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)論直接通過電腦得出，學(xué)生省略了處理的步驟，這在一定程度上沖淡了學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)公式的記憶、對實(shí)驗(yàn)原理的理解。

6.總結(jié)

DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以準(zhǔn)確地描述各個(gè)物理量之間的關(guān)系，體現(xiàn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，是以后中學(xué)物理教學(xué)的常見模式。但是，我們也不可以全盤否定傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該嘗試著將二者相互結(jié)合，使二者互相補(bǔ)充。比如在本實(shí)驗(yàn)中，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，結(jié)合傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中的特點(diǎn)，可以先讓學(xué)生自己動手對個(gè)別實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行演算，再采用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)對全部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的處理。這樣二者互補(bǔ)，既使學(xué)生加深了對實(shí)驗(yàn)原理的理解，也提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾自力，申振.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS實(shí)驗(yàn)的有效整合[J].物理教學(xué)，2010，32（4）：23.

[2]李鐵.數(shù)字化信息系統(tǒng)在高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].蘇州大學(xué)，2008：30.