用DISLab探究加速度與力\\質量的關系

摘要 本文利用DISLab對數據的實時采集功能和計算機實驗分析數據處理軟件分析功能，探究加速度與力、質量的關系。

關鍵詞 Dislab牛頓第二定律 控制變量法 數據處理

在中學物理教學中，牛頓第二定律的應用貫穿了靜力學和運動學等知識內容，其地位和作用不言而喻。目前高中試驗中，往往采用傳統定性判斷實驗得出牛頓第二定律，效果不是很理想。本文將利用DISLab(數字信息系統實驗室)實驗探究加速度與力、質量關系，根據DISLab實驗系統中數據實時采集功能和計算機實驗分析軟件強大的數據處理分析功能，總結得出牛頓第二定律。

1 DISLab系統

DISLab即數字信息系統實驗室(Digital Information Sys－tern Laboratory)。它是在傳統的實驗室儀器設備的基礎上，通過加載智能化的傳感器、數據采集器和實驗分析軟件包構成的新型實驗系統。

DISLab主要由以下三部分組成：(1)智能傳感器；(2)數據采集設備；(3)計算機及其分析處理軟件。

DISLab有如下優越性：

(1)實時動態地采集實驗信息，因而在分析物理動態變化問題上有著不言而喻的優勢。(2)用傳感器測得的數據比較精確，實驗誤差較小，這就使物理學規律的發現或驗證更有嚴謹性和可信性。(3)可以使抽象的物理過程和概念具體化，有利于優化課堂教學結構，突破重點難點。(4)可以使微觀現象直觀化，把微觀的物理過程生動、形象地展示在學生面前，使學生認識加深，更易形成概念。(5)實驗數據由計算機處理，可自動生成圖表，簡便、快速，節省時間。(6)可以活躍課堂氣氛，激發學生學習的興趣，促進學生主動記憶，積極參與教學，提高課堂教學效率。

DISLab是信息技術在理科實驗中的重要應用。它的應用主要是基于新課程的理念與思想，即培養學生運用信息技術的能力——利用現代傳感技術、計算機技術等工具開展實驗進行探究。運用DISLab可以節省時間、提高效率，學生能更加集中精力，有更多的時間觀察、思考和探究，培養學習的方法和科學精神。

2 實驗裝置

主要由DIS系統軟件、數據采集器、光電門傳感器、計算機、軌道、雙U型擋光片、支架、天平、砝碼、鉤碼、小桶等組成。實驗裝置按如下圖1連接所示

3 實驗過程及數據記錄

提出“控制變量”的思想方法。

即：在存在兩個(或多個)影響因素的情況下，控制一個量不變，研究其余兩個量間的關系的方法。并由此將本實驗分解成兩個部分。

(1)保持小車質量(m)不變，研究小車運動的加速度(a)與所受作用力(F)的關系。

(2)保持小車所受作用力(F)不變，研究小車運動的加速度(a)與小車及砝碼質量(m)的關系。

a 保持小車的質量不變

①先用天平測出小桶的質量。

②將軌道放在水平桌面上，把雙u型擋光片固定在小車上。

③將光電門傳感器接入數據采集器的二通道，同時將光電門傳感器放置在軌道的中部并固定在支架上。使小車上的擋光片能夠順利通過光電門。打開電源開關，選擇“聯機工作模式”并按“E”。

④打開DIS系統軟件，進入“專用實驗(物理)——高中——力學——加速度與拉力的關系”。

⑤輸入擋光片的寬度。在小桶內裝入5克砝碼，并將其質量與小桶質量之和填入軟件界面中。

⑥單擊控制界面上的“開始”采集按鈕。將小車放在軌道上，由靜止釋放，可以采集到一組數據。重復實驗，在小桶內分別裝入5克、10克、15克、20克砝碼時，可以采集到多組對應數據。測量完畢后，點擊“畫圖”按鈕和“擬合”按鈕，所得圖形如下圖2所示。(注意：將小車放回釋放位置時，小車上的擋光片不能通過光電門。)

b 保持小桶和砝碼的質量不變

①先用天平測出小桶的質量、小車和雙U型擋光片的質量和。

②將軌道放在水平桌面上，把雙U型擋光片固定在小車上。

③將光電門傳感器接入數據采集器的第二通道，同時將光電門傳感器放置在軌道的中部并固定在支架上。使小車上的擋光片能夠順利通過光電門。打開電源開關，選擇“聯機工作模式”并按“E”。

④打開DIS系統軟件，進入“專用實驗(物理)－高中－力學－加速度與質量的關系”。

⑤輸入擋光片的寬度。單擊控制界面上的“開始”采集按鈕。將小車放在軌道上，靜止釋放，可以采集到一組數據。重復實驗，在雙U型擋光片上依次增加50克砝碼，可以采集到多組對應數據。實驗結束后，點擊“畫圖”按鈕和“擬合”按鈕，進行擬合分析，所得圖形如下圖3所示。(注意：將小車放回釋放位置時，小車上的擋光片不能通過光電門。)

4 實驗結果分析

根據實驗所得圖2分析可知，當保持小車質量(m)不變時，小車運動的加速度(a)與所受作用力(F)圖像呈過原點的傾斜的直線，故m不變，a∝F

根據實驗所得圖3分析可知，當保持小車所受作用力(F)不變時，小車運動的加速度(a)與小車及砝碼質量(m)圖像呈無限向兩軸靠近但總不相交，故F不變，a∝1/m

綜上所述，可得出結論：物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質量成反比——即牛頓第二定律。

參考文獻

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[2]舒信隆，DIS實驗技術與研究性學習的整合，物理教學，2007(5)：13

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