DISLab對豎直平面內(nèi)圓周運動繩子拉力的探究

魯月華

摘 要：新課程強調(diào)科學(xué)探究和物理實驗， 中學(xué)物理教師應(yīng)科學(xué)有效地組織學(xué)生進行探究性實驗，進行物理實驗資源開發(fā)。文章通過對一道關(guān)于豎直平面內(nèi)圓周運動題目的解析，得出了繩子受力的變化的結(jié)論，通過靜力傳感器獲得繩子拉力的相關(guān)圖像，并從圖像上得出了拉力的變化情況，進而很好地驗證了結(jié)論。

關(guān)鍵詞：DISLab；圓周運動；繩子拉力

DISLab（Digital Information System laboratory即數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室，簡稱DISLab）是在傳統(tǒng)的實驗儀器的基礎(chǔ)上，通過智能化的傳感器、數(shù)據(jù)采集器和實驗分析軟件組合起來，共同完成對物理量測量的裝置。在基于DISLab的實驗過程中，我們可以直接在電腦上得到實驗數(shù)據(jù)，并通過圖表、圖線等具體分析出實驗結(jié)果，十分直觀與簡便，大大簡化了以往實驗課上煩瑣的計算過程，既節(jié)約了時間，又讓學(xué)生感到直觀易懂。

一、例題分析

在講解豎直平面內(nèi)的圓周運動時，我們經(jīng)常會遇到求解繩子拉力變化的題目。

例：一質(zhì)量為m的金屬小球拴在長為L的細(xì)線下端，細(xì)線上端固定在O點處，在懸點O的正下方P處釘有一光滑釘子，如圖1所示?，F(xiàn)將小球拉至懸線水平，然后釋放。則：

（1）小球第一次通過最低點過程中，繩子與釘子碰撞的前后，繩子拉力大小會變化嗎？

（2）若小球繞著p做圓周運動，繩子所受的最大拉力和最小拉力之差是否為一定值，若為一定值為多少？若不為一定值說明理由。

解析：

（1）小球在最低點受力如圖2所示，當(dāng)繩子碰到釘子前，做圓周運動的軌道半徑為繩長L；當(dāng)繩子碰到釘子后，做圓周運動的軌道半徑為r，在最低點：

FT-mg=mv2/R

當(dāng)R由L變?yōu)閞時，R減少，由于慣性，小球的速度v保持不變，故繩子拉力FT變大。

（2）小球在最高點和最低點受力如圖3所示，設(shè)小球做圓周運動的軌道半徑為r ，最低點：FT1-mg=mv12/r， 最高點：FT2+mg=mv22/r。

小球由M點運動到B點，由動能定理：，則

大小與r無關(guān)，其值為小球重力的6倍。

二、基于DISLab的實驗

1.DISLab系統(tǒng)

DISLab主要由以下三部分組成：智能傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計算機及其分析處理軟件。DISLab有以下特點：①DISLab改變了傳統(tǒng)實驗過程中對實驗信息與數(shù)據(jù)的感知方式和采集方式，使實驗采集的數(shù)據(jù)更精確；②DISLab通過計算機和分析處理軟件為工具，改變了實驗數(shù)據(jù)的處理方式和結(jié)果表達(dá)方式，使結(jié)果的表達(dá)更豐富；③改變了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式。

DISLab是信息技術(shù)在理科實驗中的重要應(yīng)用。它的應(yīng)用主要是基于新課程的理念與思想，基于DISLab實驗減少了動手操作即培養(yǎng)學(xué)生運用信息技術(shù)的能力，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、計算機技術(shù)等工具開展實驗進行探究的能力；對煩瑣的數(shù)據(jù)處理進行了整合，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、描述同步進行的實時實驗?zāi)Ｊ?，大大增加了智慧操作的程度，而且讓學(xué)生有更多的時間來參與更多的探究活動。

2.實驗器材及其組裝

實驗器材： DISLab（數(shù)據(jù)線、電源線、數(shù)據(jù)采集器、靜力傳感器）、電腦、帶尼龍繩小鋼球一個、鐵架臺一個、鋼絲一根、鐵夾一個。

器材組裝：如圖4所示，將靜力傳感器固定在鐵架臺上，并通過數(shù)據(jù)采集器與電腦連接為探測儀器，再將系小鋼球繩的另一端固定在靜力傳感器的掛鉤上。

3. 實驗探究過程

（1）探究小球第一次通過最低點過程中，繩子與釘子碰撞的前后，繩子拉力大小變化。使繩子處于水平狀態(tài)，繩子拉直且剛好松弛。點擊Edislab軟件“開始”按鈕，釋放靜止的小球，讓小球做幾個周期的圓周運動后，用手拿一根鋼絲（相當(dāng)于光滑釘子）放在懸點的正下方，得到靜力傳感器探測端處拉力隨時間變化的曲線，如圖5所示，分析并得出結(jié)論。

可以得出結(jié)論：當(dāng)懸點的正下方?jīng)]有鋼絲時，小球做圓周運動，其所受繩子拉力隨時間做周期性的變化，通過最低點拉力約為1.1N。當(dāng)懸點的正下方固定鋼絲時，小球通過最低點，其所受繩子拉力突然變大了，達(dá)到2.0N。

（2）探究小球繞著P做圓周運動，繩子所受的最大拉力和最小拉力之差是否為一定值。

此實驗分兩步：首先用DISLab測出小球的重力，后測出繩子所受的最大拉力和最小拉力之差。

第一步：測出小球的重力。

方法：首先開啟數(shù)據(jù)采集器和Edislab軟件，采用“示波”顯示；然后使繩子處于豎直狀態(tài)，小球處于靜止?fàn)顟B(tài)；再點擊Edislab軟件菜單欄“清零”按鈕；最后點擊“開始”按鈕，得到靜力傳感器探測端處拉力隨時間變化的曲線，如圖6所示。

由圖像可知，小球的重力約為0.44N。

第二步：測出繩子所受的最大拉力和最小拉力之差。

方法：先開啟數(shù)據(jù)采集器和Edislab軟件，采用“示波”顯示；然后將小鋼球拉起，使繩子處于水平狀態(tài)，繩子拉直且剛好松弛，在懸點的正下方固定一根鋼絲；再點擊Edislab軟件菜單欄中“開始”按鈕；最后釋放靜止的小球，得到靜力傳感器探測端處拉力隨時間變化的曲線，改變固定鋼絲的位置，即改變半徑r，多做幾次試驗。

如圖7所示為半徑r=9.5cm時的拉力隨時間變化的曲線。

由圖像可得到，小球在最低點繩子所受的拉力F1=2.72N，最高點繩子所受的拉力F2=0.32N，故△F= F1- F2=2.40N。而小球的重力等于0.44N，在誤差范圍內(nèi)，小球在最低點繩子所受的拉力與最高點繩子所受的拉力之差等于6mg。

如圖8所示為半徑r=9.3cm時的拉力隨時間變化的曲線。

由圖像可得到，小球在最低點繩子所受的拉力F1=2.84N，最高點繩子所受的拉力F2=0.38N，故△F= F1- F2=2.46N。而小球的重力等于0.44N，在誤差范圍內(nèi)，小球在最低點繩子所受的拉力與最高點繩子所受的拉力之差等于6mg。

可以得出結(jié)論：當(dāng)懸點的正下方固定鋼絲時，小球做完整的圓周運動，無論半徑如何，小球所受繩子拉力的最大值和最小值之差是一個定值，為小球重力的6倍。

4.結(jié)論

DISLab是一種集多類型傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集器、多樣化自主操控平臺以及強大的函數(shù)圖像處理功能于一體的實驗系統(tǒng)，為我們對物理現(xiàn)象進行多視角的研究提供了多元化的研究手段和途徑，也就決定了它具有多方面的拓展性，這已成為物理實驗教學(xué)的重要研究課題。在實際教學(xué)活動中，我們要勤于思考，勇于創(chuàng)新，努力研究DISLab與傳統(tǒng)儀器以及自制儀器的有效整合途徑，充分開發(fā)其多元教育教學(xué)功能，使之能夠更好地為教學(xué)服務(wù)，為廣大一線中學(xué)物理教師實驗教學(xué)的實施提供有用的參考素材。

（作者單位：福建省泉州市泉港第六中學(xué) ）