鄭少燕,林淑淇,李德安,王笑君
(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州510006)
加速度是貫穿高中物理的重要物理概念,而傳統(tǒng)的物理實驗只能通過打點計時器或光電門來實現(xiàn)對勻加速度的間接測量,既無法實現(xiàn)對加速度的直接和瞬間測量,也無法實現(xiàn)對變加速度的連續(xù)測量與觀察,使得剛接觸該概念的學(xué)生無法直觀感知加速度,造成許多學(xué)生感到加速度既抽象又易混淆,降低了初學(xué)者的學(xué)習(xí)興趣.
本文利用美國PASCO公司2007年生產(chǎn)的可脫機使用的Xplorer GLX數(shù)據(jù)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(xiàn)了對瞬間速度、加速度的連續(xù)測量,并使用Science Workshop高功能的數(shù)據(jù)處理軟件Datastudio,實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的實時測量與處理,完成了對加速度與速度關(guān)系的探究,以及對生活中加速度進行實驗探究,使學(xué)生對加速度概念有了感性認(rèn)識,形成了鮮明的表象[2],增強了學(xué)生學(xué)習(xí)及探究的興趣與信心.
PASCO系統(tǒng)是采用傳感器和數(shù)據(jù)采集器接口,通過Datastudio操作平臺進行控制和數(shù)據(jù)采集的物理實驗系統(tǒng)[1,3].利用 Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器[4-5]進行多種戶內(nèi)外實驗,同時,在數(shù)據(jù)采集器的顯示屏或電腦上同步看到相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)和圖像.
如圖1所示,將三維加速度傳感器與Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器連接,將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集穩(wěn)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(guān)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(wěn)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(nèi),速度的大小一直在增加,即可說明,當(dāng)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(dāng)加速度的大小增加時,速度的大小不一定也是增加的.
3.2.1 測量電梯的加速度,感受超、失重現(xiàn)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(shù)據(jù)采集器的數(shù)字表功能,調(diào)節(jié)二維力平臺低端的調(diào)平旋鈕,使其切向力的數(shù)值顯示為0,讓1位學(xué)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(shù)據(jù)進行存盤,并輸入電腦中,用數(shù)據(jù)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(yīng)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(guī)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(tài).
2)比較圖5和圖6可知:當(dāng)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(tài);當(dāng)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(dāng)加速度a為負(fù)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(tài).從實驗數(shù)據(jù)中,可以看到在56s時,電梯的加速度達到負(fù)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(yīng)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(guān)系.斜率反映的是測試員的質(zhì)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(jié)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
高功能的數(shù)據(jù)處理軟件Datastudio實現(xiàn)了對實驗數(shù)據(jù)的實時記錄與處理,節(jié)約了手工作圖和處理數(shù)據(jù)的時間,減小了人為錯誤,為學(xué)生深入思考、探討物理本質(zhì)提供高效優(yōu)質(zhì)的信息.充分利用Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器可脫機使用的強大功能,增加戶外探究性實驗,讓學(xué)生在生活中學(xué)習(xí)物理,同時將物理運用于生活中,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究性學(xué)習(xí)的能力.
[1]美國PASCO公司.“科學(xué)工作室”實驗系統(tǒng)[EB/OL].http://www.pasco.com/.
[2]賴?yán)蝻w,王笑君.數(shù)據(jù)采集器運用于物理探究性學(xué)習(xí)的探討[J].物理實驗,2003,23(7):32-33.
[3]賴?yán)蝻w,秦艷芬.數(shù)據(jù)采集器在數(shù)字化物理實驗室建設(shè)中的應(yīng)用與研究[J].寧波工程學(xué)院學(xué)報,2011,23(3):104-107.
[4]賴?yán)蝻w,王笑君.自感現(xiàn)象的定量研究[J].大學(xué)物理,2005,24(3):51-53.
[5]賴?yán)蝻w.數(shù)據(jù)采集器運用于中學(xué)物理實驗的研究[D].廣州:華南師范大學(xué),2004.
[6]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)于高中物理教學(xué)大綱(試驗修訂版)的幾個問題[J].學(xué)科教育,2000(7):1-3,19.
[9]張偉,張偉,蔡穎標(biāo).基于PASCO平臺的法拉第磁光效應(yīng)實驗[J].物理實驗,2011,31(7):32-36.