單擺法測重力加速度實驗設計

摘 要： 本文以單擺法測重力加速度實驗為例介紹DIS在物理實驗教學中的應用及相對于傳統實驗的比較。

關鍵詞： 單擺法 重力加速度 DIS實驗 傳統實驗

1.引言

在日常的中學物理教學中，引導學生建立物理概念和掌握物理規律是教師的主要工作，而以學生分組實驗的形式進行教學是一種很好的手段，但是對于一些傳統的學生分組實驗，其實驗的數據往往和理論值相差較大。這樣，實驗的說服力就較弱了，往往讓授課教師的處境非常尷尬。在“單擺法測重力加速度”這個學生分組實驗中，我們可以對傳統的實驗進行改進，利用DIS實驗技術進行“單擺法測重力加速度”，這樣可以取得更明顯的實驗效果。

2.DIS的含義

DIS（Digital Information System）實驗技術，又稱“數字化信息系統”，是由“傳感器+數據采集器+實驗軟件包（教材專用軟件、通用擴展軟件）+計算機”構成的新型實驗系統。該系統成功地克服了傳統物理實驗儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術與物理教學的全面整合■。

3.傳統實驗與DIS實驗在單擺法測重力加速度中的比較

3.1傳統單擺法測重力加速度實驗的設計思想

如圖1所示，首先將實驗所用儀器：鐵架臺、擺線、秒表、小球放于水平桌面上，將長線把小球吊在支架上，構成一個單擺，即如圖所示裝置。然后用米尺測出擺線長L，用游標卡尺測出小球直徑d，用秒表測出n個周期所用時間t，根據單擺周期公式：T=2π■=■，得：g=■，即求出的g為重力加速度。

3.2傳統單擺法測重力加速度實驗中存在的問題

傳統探索單擺法測重力加速度的實驗方案如圖1所示，實驗存在無法克服的系統誤差，如傳統實驗中使用的是秒表，由學生觀察記錄單擺周期。這就要求操作者不僅細心，還反應快、動手快。如果在操作過程中注意力不集中，把擺動周期數數錯；或是反應不夠快，沒有及時按下秒表；或是在操作過程中不規范，在釋放小球時沒有讓小球和擺線在同一平面內擺動，而是在做圓錐擺，這些都會給實驗帶來較大誤差。即使實驗者反應靈敏，動作迅速，這樣記下來的實驗數據也還是有一定的誤差的，這樣得到的實驗結果往往很難讓學生信服，使學生對實驗本身產生質疑。所以，大多數教師習慣用“在誤差允許的范圍之內，實驗結果是成立的”這樣的語句來解釋，來打消學生產生的疑問。長此以往，不但挫傷了學生實驗的積極性，而且對學生的人生觀和價值觀產生了一定的負面影響。

3.3 DIS實驗對單擺法測重力加速度實驗的改進

許多研究者針對上述傳統單擺法測重力加速度實驗中存在的一些問題，做了很多有意義的研究工作，并且圍繞以下兩個方面進行了一些改進。

（1）如何定量解決單擺周期的問題。

采用計算機、光電門傳感器、數據采集器等DIS Lab實驗器材，使小球擺動時在最低點通過光電門傳感器，由數據采集器直接記錄單擺周期。

（2）如何提高學生計算準確率及工作效率。

采用數字化信息系統，數據采集器采集到數據之后直接輸入計算機，由計算機直接運算，要求學生熟悉計算機及數據采集器、傳感器的連接與操作，在學習新的知識的同時減小計算誤差，提高學習效率。

4.DIS用于單擺法測重力加速度實驗的開發設計

4.1實驗目的

（1）測定單擺周期，驗證單擺振動的等時性。

（2）利用單擺測量當地的重力加速度。

（3）了解光電門傳感器的使用，學習用數字化信息系統獲得數據并處理數據的方法。

4.2實驗原理

單擺的振動周期不隨幅度的改變而改變，具有等時性。由單擺周期T=2π（L/g）■，得到重力加速度為g=4π■L/T■。

通過數字化信息系統平臺，小球擺動到最低點的時候通過光電門傳感器，測量記錄單擺周期，通過計算機進行數據處理，求出加速度。

4.3實驗儀器

鐵架臺、刻度尺、數字化信息系統平臺、一個光電門傳感器、數據采集器、數據線、計算機、擺線、小球。

4.4實驗過程

（1）將光電門傳感器固定在單擺的平衡位置處并將其接入數據采集器第一通道。

（2）在電腦窗口中點擊“光電門設置”，將擋光片類型改為“單擺”。

（3）逐步調整傳感器的位置和單擺擺長，使擺球通過傳感器并能夠順利擋光。

（4）打開“計算表格”，用手使擺球擺動，點擊電腦窗口中“自動記錄”的“開始”，此時，電腦將會自動記錄單擺的周期，大概記錄20個周期后，點擊“結束”，此時停止記錄數據。

（5）測量擺線的長度L（本次實驗為0.5325米）。

（6）點擊計算表格中的“變量”選擇變量名稱L，并賦予默認值為0.5325，點擊“公式”，調用“力學”公式庫中的“單擺測重力加速度”公式，注意確認公式變量對應表格項，計算出重力加速度的值（圖4）。

（7）比較實驗中測得的重力加速度與當地實際重力加速度值的差別。（實驗地：安徽蕪湖，9.7944）

在此實驗中要確保光電門的放置始終在單擺的平衡位置，才能進一步減少誤差。用本實驗的方法進行測量，沒有“傳統的系統誤差”，偶然誤差也相對較小，并且能測量多組數據，實驗結果非常精確可信。實驗簡單精確，值得推廣。

5.采用DIS實驗技術進行實驗的優勢和不足

對比傳統的實驗方法，采用DIS實驗技術進行單擺法測重力加速度這個實驗存在以下的一些優勢和不足。

5.1存在的優勢

（1）在記錄實驗中周期時，采用計算機、光電門、數據采集器等DIS Lab實驗器材，使小球擺動時到最低點時通過光電門傳感器，這樣直接由數據采集器直接記錄單擺周期，實際實驗的時候發現，通過這種方法來進行實驗，實驗的精確程度得到了很大的提高。

（2）對比傳統的實驗，采用DIS實驗技術進行實驗時學生處理數據用去的時間要相對少很多，這樣教師就可以在同樣的時間內加大實驗探究要素的比重，這樣就可以提高學生的學習效率，很好地發展學生的探究能力，即如圖2所示。

5.2存在的不足

（1）采用DIS實驗技術進行實驗，所有數據的測量工作都是DIS Lab實驗器材完成的，這就對學生的電腦等非物理技術要求相對較高，從而使得一部分學生在剛接觸DIS Lab實驗的時候，會有無從下手的感覺。

（2）采用DIS實驗技術進行實驗時，實驗的結論直接通過電腦得出，學生省略了處理的步驟，這在一定程度上沖淡了學生對于實驗公式的記憶、對實驗原理的理解。

6.總結

DIS實驗技術可以準確地描述各個物理量之間的關系，體現現代科學技術準確性高的特點，是以后中學物理教學的常見模式。但是，我們也不可以全盤否定傳統的物理實驗，應該嘗試著將二者相互結合，使二者互相補充。比如在本實驗中，在進行實驗數據處理時，結合傳統的實驗中的特點，可以先讓學生自己動手對個別實驗數據進行演算，再采用DIS實驗技術對全部的實驗數據進行大量的處理。這樣二者互補，既使學生加深了對實驗原理的理解，也提高了實驗數據處理的準確性。

參考文獻：

[1]曾自力，申振.傳統實驗與DIS實驗的有效整合[J].物理教學，2010，32（4）：23.

[2]李鐵.數字化信息系統在高中物理實驗設計中的應用研究[D].蘇州大學，2008：30.