李跃明

人的五官感受客观世界的范围十分有限。随着科技的发展,人们不断地运用各种工具和仪器延伸着自己器官的感知范围和准确度,这种工具和仪器就是传感器。在物理实验中应用传感器,通过计算机采集数据,将测量结果及时准确地记录并显示在大屏幕上,不仅能突出物理学科重实际,重运用的特点,而且能激发学生学习科技的兴趣,为提高演示实验的教学效果提供了新的研究方向。本文就高一物理力学实验之结合传感器部分举例说明。

1. 静摩擦力与滑动摩擦力之对比研究、滑动摩擦力之规律研究

本实验装置,通过电机匀速拉动木板,力传感器记录细线对木块的拉力,可以研究静摩擦力,也可以通过改变压力的大小,对最大静摩擦力和滑动摩擦力与压力的关系进行定量研究,上图为力传感器记录的细线拉力随时间变化的图像。

2. 共点力合成规律之探究

实验装置如图所示,可以通过改变两力的夹角得到不同的拉力,从而探究出力的合成规律,也可以动态地演示力随角度的变化,从而突破难点。上图为两传感器的即时数据输出。

3. 瞬时速度之测量

实验装置如上图,计算机能记录挡光片通过光电门的时间,而挡光片的宽度是已知的,学生很容易得到物体通过挡光片时的瞬时速度。瞬时速度的测定,传统的实验仪器是无法做到的。传感器使得很多与速度相关的实验演示或定量探究成为可能(实验加速度与外力和质量之关系研究、动能定理之实验验证、机械能守恒定律之实验验证、动量定理之定量研究等都可以通过本装置进行演示)。下图为物体撞击传感器时记录的力随时间变化的图像,通过数据处理得到区域积分面积,为学生探究动量定理提供了条件。

纵坐标为力,横坐标为时间,通过数据处理,得到F-t图像与x轴所围出图形的面积即为力的冲量,测出碰撞前后的瞬时速度,求出动量的变化,即可探究动量定理。

4. 弹簧振子回复力与位移之关系研究

百闻不如一见,简谐振动过程中回复力与时间的关系,传统实验往往是理论推导,本实验装置通过力传感器能直观的演示,如果加上位移传感器、加速度传感器,则各个物理量与时间的关系很清楚的定量显示出来,便于学生突破难点、理解物理规律,传感器的优势可见一斑。

通过以上实验,可以看出,传统的实验仪器加上精密测量工具传感器,演示实验的教学效果得到了很大的提高。

责任编辑潘孟良