利用DIS系統(tǒng)對伽利略理想實驗進行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

張 超

伽利略理想實驗在初中和高中的物理學習中都有著極其重要的地位，尤其在高中階段，伽利略理想實驗是引領(lǐng)學生跨入牛頓運動定律世界大門的第一步。但受困于傳統(tǒng)教學方法，多數(shù)教師在講授這一章節(jié)內(nèi)容時，往往采用語言描述或Flash播放的方式，這明顯不符合高一學生對物理知識的認知特點。當然也有相當一部分教師會對伽利略理想實驗進行演示，不過當學生對最終實驗結(jié)論提出質(zhì)疑時，教師往往難以用客觀事實證明結(jié)論的正確性。隨著科技的發(fā)展，傳感器實驗技術(shù)已經(jīng)在常規(guī)教學中得到了廣泛應(yīng)用，那么利用DIS實驗系統(tǒng)對伽利略理想實驗進行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)已不是一件難事，換言之，我們可以利用數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出絕對光滑的水平面，而在傳統(tǒng)實驗中，這是很難辦到的。

一、DIS實驗系統(tǒng)

1.DIS實驗系統(tǒng)

本實驗采用朗威DISLab6.0整套實驗設(shè)備, 它是由“傳感器＋數(shù)據(jù)采集器＋實驗軟件包(教材專用軟件、通用擴展軟件)＋計算機”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。DIS實驗系統(tǒng)的工作原理是由各類傳感器將實驗過程中的物理量轉(zhuǎn)化為電學量，進而由數(shù)據(jù)采集器將電學量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后傳輸給計算機，計算機上的實驗軟件包就會識別并能對數(shù)據(jù)進行分析處理和輸出。其實這也體現(xiàn)著科學研究中非常重要的“轉(zhuǎn)化”思想。朗威DISLab實驗系統(tǒng)配備有電流、微電流、電壓、壓強、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門等多種傳感器，其數(shù)據(jù)采集器與計算機以串行方式通信，采用四路并行輸入，可同時接插四種傳感器。該系統(tǒng)實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)自動采集，并最終通過輸出終端PC顯示呈現(xiàn)，利用DISLab6.0配套軟件即可對數(shù)據(jù)進行整理、分析、擬合、繪圖等快速處理。

本實驗中主要使用力傳感器與位移傳感器這兩類傳感器，其中力傳感器的使用與普通彈簧秤的使用方法無異，其優(yōu)點有方便固定、測量準確、讀數(shù)方便等，測量數(shù)據(jù)會在測量即時通過實驗軟件呈現(xiàn)在PC終端上。位移傳感器在進行有關(guān)運動的相關(guān)實驗時功能強勁，通過位移發(fā)射器和位移接收器可以直接記錄下研究對象的位移s和時間t的數(shù)據(jù)。利用DISLab6.0配套軟件自帶的擬合、處理與繪圖工具，可將s-t圖轉(zhuǎn)化為v-t圖，若該運動為勻變速運動，還可以直接顯示出對應(yīng)加速度的數(shù)值。(原理解釋：以勻變速運動為例，位移關(guān)于時間的函數(shù)通過一次求導即可得到速度函數(shù)，通過二次求導即可得到加速度，這一切的求導過程會由軟件自動完成并生成圖像，操作者無需錄入，只需點擊功能按鍵即可。)

2.DIS實驗系統(tǒng)的優(yōu)越性

現(xiàn)代傳感器技術(shù)已經(jīng)全面走進基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，國內(nèi)外很多實驗器材廠家根據(jù)中學理科實驗的需求，開發(fā)出了先進的DIS實驗系統(tǒng)，可以說這項新型實驗系統(tǒng)為中學理科實驗注入了新的活力。該系統(tǒng)成功地克服了傳統(tǒng)物理實驗儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學的全面整合。DIS實驗系統(tǒng)具有操作簡單、快速、方便、可靠、準確獲得實驗數(shù)據(jù)等特點，減少煩瑣的數(shù)據(jù)處理，同時它具有實驗過程的回放功能，從而使實驗者更加專注于分析實驗本身，加深對實驗的理解。

二、伽利略理想實驗

1.伽利略理想斜面實驗(教學中難以演示)

圖1為伽利略理想實驗原理圖。兩個相連接的傾斜軌道，小球在軌道上運動會先下降后上升。伽利略發(fā)現(xiàn)忽略摩擦力，小球上升的高度與釋放的高度始終相等，于是他推測，如果是一個傾斜軌道接一個水平軌道，那么小球永遠也不能上升到初始高度，于是小球就將永遠運動下去。在實際教學中常常采用下述方法進行伽利略理想實驗的論證。

圖1 伽利略理想實驗

2.初中與高中教學演示實驗

圖2為初中與高中教學演示實驗原理圖。讓小車從斜面同一位置自由滑下，保證小車以同一初速度劃上水平接觸面，水平面依次為毛巾表面、棉布表面、木板表面，并記錄小球在毛巾上滾動的距離。實驗結(jié)論：小球停止下來是因為受到了摩擦力的作用，摩擦力越小，小球運動得越遠。若接觸面光滑無摩擦力，小球會一直運動下去。

圖2 教學演示實驗

三、學生的學情分析

從高一學生的認知角度出發(fā)，學生對未知的知識充滿好奇，渴望用已掌握的知識進行思考與探索，正是源于學生的認知心理，新課改鼓勵開展研究性學習和探究性實驗。高一學生在學習伽利略理想實驗之前，已經(jīng)初步掌握運動學的基本物理量及其相關(guān)公式，對力有了充分的認識，也能夠準確分析物體的運動狀態(tài)，但力與運動尚未構(gòu)成體系。伽利略理想實驗作為力與運動的開篇章節(jié)，應(yīng)當讓學生充分理解，加深認識，這對后續(xù)牛頓運動定律的學習有著積極的促進作用，因此，我們又要借助DIS實驗系統(tǒng)開展實驗教學，幫助學生突破認知難關(guān)。

四、實驗原理

圖3即為本實驗的實驗原理圖，壓縮彈簧使滑塊以相同初速度滑上不同接觸面，依次更換接觸面，接觸面由粗糙逐步過渡至較光滑，通過位移傳感器采集加速度信息，即可直接呈現(xiàn)V-t關(guān)系(如圖4所示)，通過計算機收集、分析并對數(shù)據(jù)擬合，從而對絕對光滑的情況加以數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，進而展現(xiàn)出了由粗糙過渡到絕對光滑無摩擦時的理想物理情景。

圖3 實驗原理圖

圖4 實驗v-t簡圖

五、實驗器材

①導軌：壓縮左端彈簧，給滑塊提供一個初速度，右端用于放置不同的接觸面；

②接觸面：依次為粗鐵板、木板、瓷磚、磨砂玻璃、光面玻璃；

③滑塊：前段呈圓弧狀，以確?；瑝K運動的流暢性，滑塊上端可以固定位移發(fā)射器；

④位移傳感器：采集滑塊位移信息，得到v-t圖，并可以直接從計算機擬合得到加速度；

⑤數(shù)據(jù)采集器：采集傳感器信息并轉(zhuǎn)至計算機；

⑥計算機：記錄數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)；

⑦力傳感器：測量力的大??；

⑧固定支架：在測量滑塊與接觸面之間滑動摩擦力過程中起到固定力傳感器的作用。

(本實驗采用的傳感器均為“朗威DISLab”系列儀器)

圖5 實驗器材

六、實驗步驟(附參考數(shù)據(jù)一組)

(1)將力傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連，數(shù)據(jù)采集器與計算機相連。再將位移發(fā)射器固定在滑塊上，使用力傳感器測出滑塊與位移發(fā)射器的總重為G=1.97 N。

(2)按照圖6組裝儀器，將力傳感器固定在固定支架上，水平鉤在滑塊上，保證力傳感器與滑塊水平勾連。在小車下方依次放置5種接觸面，并將接觸面用水平拉力水平拉動。通過計算機數(shù)據(jù)記錄下小車分別在5種接觸面上運動時的滑動摩擦力大小f1，f2，f3，f4，f5，填入表1。

圖6 測量滑動摩擦力

表1 滑動摩擦力記錄表

(3)根據(jù)滑動摩擦力計算方法可得：滑動摩擦系數(shù)μ=f/N(其中N大小等于重力G)，填入表2。

表2 滑動摩擦系數(shù)表

(4)按照圖3安裝實驗裝置：把導軌放置在水平臺面上并加以固定，在滑塊上固定好位移發(fā)射器，在導軌左端與位移發(fā)射器等高處安裝位移接收器，并將位移接收器通過數(shù)據(jù)線連接至數(shù)據(jù)采集器，將數(shù)據(jù)采集器與計算機連接。

(5)在導軌右側(cè)，放置接觸面—粗鐵板，并加以固定，向左拉動滑塊，壓縮彈簧，然后釋放滑塊，讓滑塊以一定速度水平彈出(注：本實驗中彈簧壓縮量始終不變，以保證滑塊到達水平接觸面時有同樣的水平初速度)，通過位移采集器記錄滑塊在粗鐵板上運動的信息，觀察計算機自動生成的v-t圖，并可直接讀出對應(yīng)的加速度a。重復實驗步驟，多次測量，將數(shù)據(jù)記錄在表3中，求取加速度a1平均值。

(6)接觸面分別更換為木板、瓷磚、磨砂玻璃、光面玻璃，重復步驟(5)，并將數(shù)據(jù)記錄至表3中。

表3 加速度記錄表

(7)將對應(yīng)的加速度a與摩擦系數(shù)μ的數(shù)據(jù)記錄在表4中。

表4 滑動摩擦系數(shù)表

(8)使用計算機作圖并進行線性擬合加速度a與滑動摩擦系數(shù)μ之間的關(guān)系(如圖7所示)。

圖7 加速度a與滑動摩擦系數(shù)μ之間的關(guān)系

七、實驗分析與結(jié)論

如圖7所示，加速度a與滑動摩擦系數(shù)μ呈正比例關(guān)系，圖像經(jīng)過原點。其中，原點意味著滑動摩擦系數(shù)μ=0，即為絕對光滑無摩擦的理想狀態(tài)。由于圖像經(jīng)過原點，則說明當水平面絕對光滑無摩擦時，a也等于0，即滑塊沒有加速度，因此滑塊將會永遠做勻速直線運動。

實驗結(jié)論：本實驗中，如果水平接觸面絕對光滑無摩擦，滑塊將永遠處于勻速直線運動狀態(tài)。

八、結(jié)束語

本實驗基于DIS系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)實驗方案，通過數(shù)據(jù)記錄與擬合，直觀呈現(xiàn)了絕對光滑無摩擦時的物理情景。透過這個過程，學生應(yīng)用高中知識對伽利略理想實驗有了更深刻的認識，這有利于提升學生自主探究問題的能力，幫助學生掌握處理數(shù)據(jù)的基本方法。同時，在學習牛頓第一定律前開展該實驗，有助于搭建初、高中知識平臺，引導學生自主對高中牛頓第一定律和牛頓第二定律的思考。

[1]馮容士,DISLab通用軟件與實驗教學[J].物理教學,2005(6):13.

[2]孟小兵,D I S技術(shù)與傳統(tǒng)實驗的結(jié)合[J].物理教學探討,2011(9):53-55.