改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方式 發(fā)揮DIS繪圖功能

江家清　蘇桂鋒

摘? ?要：在傳統(tǒng)的驗證動量守恒定律DIS實驗中，學(xué)生需要通過計算和判斷小車的動量在碰撞前后是否發(fā)生變化來驗證動量守恒定律，這種數(shù)據(jù)處理方式未充分運用DIS的繪圖功能，使得實驗結(jié)果欠缺直觀性。通過分析小車碰撞前后速度變化量大小之間存在的比例關(guān)系，以三次不同質(zhì)量組合的碰撞實驗為例，運用DIS繪圖功能對動量守恒定律進(jìn)行了驗證，從而對實驗數(shù)據(jù)的處理方式進(jìn)行了改進(jìn)。在此種數(shù)據(jù)處理方式的基礎(chǔ)上，提出了引導(dǎo)學(xué)生思考質(zhì)量影響物體運動狀態(tài)改變難易程度的相關(guān)教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：DIS實驗系統(tǒng)；動量守恒；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0044-5

動量守恒定律是力學(xué)中的重要定律，相關(guān)的驗證動量守恒定律實驗已經(jīng)成為力學(xué)中的一個重要實驗，因此長期以來有著大量針對該實驗所提出的改進(jìn)意見。有從創(chuàng)新實驗原理的角度進(jìn)行的討論，如肖云劍運用動量守恒和胡克定律知識，結(jié)合DIS壓力傳感器，驗證動量守恒定律，有著綜合性大、可操作性強、結(jié)論簡單的優(yōu)點，能很好地訓(xùn)練學(xué)生的知識運用能力［1］。有從創(chuàng)新實驗教具的角度進(jìn)行討論，如沈詠娜將機械能守恒與動量守恒定律相結(jié)合，自制實驗教具，設(shè)計了一維彈性碰撞和一維彈性對碰的實驗，以小球上升的最大擺角作為動量是否守恒的標(biāo)志［2］。有從運用新的實驗系統(tǒng)的角度進(jìn)行討論，如張秀梅、劉玲運用DISLab最新研制的系統(tǒng)驗證動量守恒，提高學(xué)生的觀察實踐能力［3］。有從改變實驗器材的角度進(jìn)行討論，例如李林玥通過簡化實驗步驟，改變實驗器材，優(yōu)化了動量守恒實驗方案，不僅實驗誤差小，還省時省力，容易調(diào)節(jié)［4］。

雖然在許多角度上對這一實驗都有了改進(jìn)建議，然而在數(shù)據(jù)處理方面，大多數(shù)方案仍采用計算碰撞前后動量變化的方式進(jìn)行。而且在傳統(tǒng)驗證動量守恒定律的DIS實驗中，其繪圖功能往往得不到充分利用，這就使得該實驗的數(shù)據(jù)處理結(jié)果欠缺直觀性。目前，從改變實驗數(shù)據(jù)處理方式角度的討論相對較少，本文將嘗試從這一角度進(jìn)行分析。

1? ? 問題的提出

相同的實驗數(shù)據(jù)有不同的處理方式，其中一條重要途徑就是運用物理圖像。DIS8.0系統(tǒng)本身就具有強大的實驗數(shù)據(jù)處理功能，可以清晰地展現(xiàn)實驗變量之間的函數(shù)關(guān)系，通過對物理圖像的解讀可以直觀地從數(shù)據(jù)中歸納或驗證物理規(guī)律。然而，在傳統(tǒng)的驗證動量守恒定律實驗的數(shù)據(jù)處理過程中，學(xué)生是通過提前在表格中設(shè)置動量p，在測得兩小車碰撞的速度數(shù)據(jù)后，以計算并對比表格中動量p是否發(fā)生變化來判斷動量是否守恒。這種單純的數(shù)字對比處理方式?jīng)]有利用到DIS系統(tǒng)的繪圖功能，無法以圖像展示的方式讓學(xué)生直觀地理解動量守恒定律。為了使用DIS的繪圖功能改善這一狀況，就需要從原有的實驗數(shù)據(jù)中找到某個變量與另一個變量的關(guān)系，通過驗證這兩個變量之間滿足某一理論值，進(jìn)而驗證動量守恒定律。本文嘗試從理論角度出發(fā)尋找實驗數(shù)據(jù)間的物理關(guān)系，改進(jìn)原有的實驗數(shù)據(jù)處理方式，充分發(fā)揮DIS系統(tǒng)的繪圖功能，進(jìn)一步挖掘驗證動量守恒定律實驗的意義，幫助學(xué)生更深刻地體會動量守恒定律。

2? ? 實驗方案

2.1? ? 實驗裝置

兩個朗威光電門傳感器及其配件，朗威多用力學(xué)軌道，兩輛質(zhì)量不一的小車，三個配重片，兩個寬為2 cm的擋光片，兩個彈簧圈，電子天平。

2.2? ? 實驗原理

2.3? ? 實驗步驟

3? ? 實驗結(jié)果

4? ? 實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表6的第三、四行數(shù)據(jù)對比，并結(jié)合（6）式可以得出：當(dāng)某一小車質(zhì)量保持不變且碰撞前后速度變化量大小相同時，另一小車質(zhì)量越大，其速度改變量越小，也就是物體的質(zhì)量越大，對速度的改變也就越難。也就是說我們可以從動量守恒定律的角度反過來認(rèn)識質(zhì)量的物理內(nèi)涵。在具體教學(xué)過程中，教師在驗證動量守恒后還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對小車質(zhì)量影響物體運動狀態(tài)改變難易程度進(jìn)行定性思考。

5? ? 總? ?結(jié)

本文考慮了以下理論關(guān)系：各小車碰撞前后的速度變化量大小等于前后速率之和；兩小車碰撞前后速度變化量的大小之間存在比例關(guān)系，且該比例大小為兩碰撞物體質(zhì)量之比。在此基礎(chǔ)上輔以DIS繪圖功能，提出改進(jìn)驗證動量守恒定律實驗的數(shù)據(jù)處理方式。通過展示三次不同小車質(zhì)量組合的碰撞實驗，較為直觀地展示了對動量守恒定律的驗證。

參考文獻(xiàn)：

［１］肖云劍．驗證動量守恒定律——基于壓力傳感器的創(chuàng)新實驗［Ｊ］．物理通報，２０１８（１０）：８７，９０．

［２］沈詠娜．“驗證動量守恒定律”實驗的一次新探索［Ｊ］．高中數(shù)理化，２０２１（６）：５３．

［３］張秀梅，劉玲．用數(shù)字化信息系統(tǒng)（ＤＩＳ）優(yōu)化和開發(fā)高中物理學(xué)生實驗——以“動量守恒定律實驗”為例［Ｊ］．物理教學(xué)，２０１６，３８（１２）：２１－２５．

［４］李林玥．論動量守恒實驗的相關(guān)改進(jìn)［Ｊ］．科技風(fēng)，２０１８（３６）：２７９．

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）