利用計算機和傳感器探究牛頓第二定律教學方法研究

魏富城●

廣東省臺山市聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學校(523005)

利用計算機和傳感器探究牛頓第二定律教學方法研究

魏富城●

廣東省臺山市聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學校(523005)

在牛頓第二定律教學中，采取傳統(tǒng)實驗教學法得出的數(shù)據(jù)有著較大誤差，容易使學生對牛頓第二定律的內(nèi)容產(chǎn)生質(zhì)疑.基于這種情況，本文使用計算機和傳感器完成了實驗裝置的改進，減小了實驗誤差，從而獲得了有利于學生理解牛頓第二定律的實驗效果.

計算機；傳感器；牛頓第二定律；教學方法

在開展牛頓第二定律教學時，需開展加速度、力和質(zhì)量關(guān)系的探究實驗，以幫助學生更好理解牛頓第二定律的內(nèi)容.但采取教材中的實驗方法，在實驗過程中會產(chǎn)生過多誤差，無法得到物體加速度與所受外力成正比、與物體質(zhì)量成反比的結(jié)果.為減小誤差，需使用計算機和傳感器實現(xiàn)教學裝置改進.

一、傳統(tǒng)實驗中的誤差分析

在開展牛頓第二定律教學時，傳統(tǒng)實驗需要將拉小車或滑塊的懸掛物重力當成是拉力.實際上，利用懸掛物拉動小車的過程中，懸掛物將處在失重狀態(tài)，其對小車的拉力要比自身重力小，在懸掛物的數(shù)量越多的情況下，越無法滿足懸掛物質(zhì)量遠遠小于小車質(zhì)量的條件，誤差也越大.并且實驗中需要通過反復(fù)移動用于平衡系統(tǒng)的木塊使小車保持勻速運動，這種操作將影響實驗裝置的穩(wěn)定性，容易在反復(fù)操作中產(chǎn)生誤差.

二、利用計算機和傳感器實現(xiàn)教學改進的方法

1.改進方案的可行性分析

運用計算機進行實驗系統(tǒng)的建立，可提高實驗數(shù)據(jù)精確度.使用光電門傳感器開展實驗，則可減小平衡摩擦力時的誤差，能避免學生在打紙帶和處理數(shù)據(jù)上花費過多時間，提高課堂教學效率.從測量精度上來看，使用光電門傳感器可達到1μs的測量精度，為進一步減小實驗誤差，還要使用力傳感器.使用該傳感器進行天平的替代，則能簡化實驗器材，為實驗的開展提供更好的條件.

2.實驗裝置的改進方法

具體改進實驗裝置時，需使用計算機、數(shù)學信息化實驗系統(tǒng)、與系統(tǒng)匹配的力學軌道、砝碼、光電門傳感器、力傳感器、小沙桶、擋光片等附件.利用力學軌道配套附件完成光電門傳感器的組裝后，就可將兩個傳感器分別接入到數(shù)據(jù)采集器的兩個通道.在此基礎(chǔ)上，需在小車上完成擋光片安裝，擋光片寬度為0.020m.同時還要利用蝶形螺栓和“L”型掛架在小車上進行力傳感器的固定，而力傳感器需保持直立，以確保小車能夠在軌道上平穩(wěn)運行.固定過程中，需使力傳感器的測鉤平行于軌道，然后在力傳感器上進行無線發(fā)射器安裝.在無線發(fā)射器和力傳感器之間，需要安裝寬度為0.020m的擋光片.

通過反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，使用帶有數(shù)據(jù)線的力傳感器開展實驗，會導(dǎo)致小車的運動受到數(shù)據(jù)線的扭力影響.為解決此問題，使用無線力傳感器替代有線的力傳感器，但由于力傳感器高度過高，小車無法實現(xiàn)順利擋光.因此又重新進行光電門位置的調(diào)整，以確保小車順利擋光.通過不斷改進，發(fā)現(xiàn)可以實現(xiàn)傳感器配套附件的自由組合，從而通過改變力傳感器和光電門傳感器的位置順利開展實驗.

3.實驗教學的過程分析

在利用改進實驗裝置實驗前，還要做好擋光片位置的調(diào)整.針對光電門傳感器的擋光片，需要使其與軌道一段高度保持一致.在此基礎(chǔ)上，需反復(fù)輕推小車，直至小車通過兩光電門的時間幾乎相同，才能夠完成擋光片位置的固定，固定好后，需利用天平完成質(zhì)量為0.006kg的小沙桶秤量，然后將小沙桶懸掛在滑輪下方，并且使用細繩將其與小車連接起來.為測量小車所受拉力，要使用細繩將小沙桶與力傳感器掛鉤連接.在小車運動的過程中，傳感器能夠直接完成繩上拉力的測量，所以能夠使系統(tǒng)誤差得到消除.為探究質(zhì)量與加速度關(guān)系，實驗過程中需要使用力傳感器進行小車及配重質(zhì)量的測量.為此還要使用另一個力傳感器，將小車及配件整體掛在傳感器測鉤上.

在測量時，需在系統(tǒng)中點擊“調(diào)零”按鈕，使傳感器歸零.經(jīng)測量，小車及配重重力為3.98N，質(zhì)量為0.407kg.在實驗過程中，需逐次增加小沙桶質(zhì)量，并完成數(shù)值記錄.在系統(tǒng)中，要完成“表格”的點擊，系統(tǒng)會自動將擋光片經(jīng)過光電門傳感器的時間分別記錄為t1和t2，時間間隔為t12.在系統(tǒng)中完成“公式”中的自定義點擊，系統(tǒng)能夠利用公式a=(0.02/t2-0.02/t1)t12完成a值的計算.小沙桶質(zhì)量每改變一次，系統(tǒng)表格會完成相關(guān)數(shù)據(jù)自動記錄，并完成a值計算.在該表格中，m1為小沙桶質(zhì)量，通過輸入“拉力”表達式，即f=m1*9.8N，得到拉力計算結(jié)果.在系統(tǒng)中點擊“繪圖”，將a值當成Y軸，f值當成X軸，進行“線性擬合”按鈕的點擊，則可得到一條直線(圖1).

圖1

4.實驗教學的效果分析

通過分析實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用力傳感器進行質(zhì)量測量，可完成小車和配重質(zhì)量的精確測量，實驗結(jié)果誤差值較之利用天平測得的值小很多，得到的直線接近原點，與縱軸的截距為0.01m/s2.對比傳統(tǒng)實驗，使用計算機和傳感器獲得的實驗誤差較小.計算機和傳感器的操作比較容易，并且擁有較高的靈敏度，可及時完成數(shù)據(jù)收集和處理，還能提供實驗圖像，更容易被學生接受，也更能激發(fā)學生的實驗熱情.

[1]劉茂軍,孟超,陳勝男等.基于傳感器的牛頓第二定律實驗設(shè)計與研究(續(xù))[J].中學物理教學參考,2014,Z1:105-106.

[2]李維兵.加強物理實驗探究 發(fā)展學生綜合能力——以牛頓第二定律教學剖析為例[J].教學儀器與實驗,2012,10:14-16.

[3]張育霞,程芳卉.力傳感器在《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》實驗中的妙用[J].教學儀器與實驗,2015,03:60-62.

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