利用DIS系統研究簡諧運動

謝含冰 唐強

摘 要：研究簡諧運動，教材設計的彈簧振子實驗可以定性研究振子運動過程中速度、加速度、位移及回復力的變化，但不能定量研究力隨位移、時間變化的規律，這就為后期簡諧運動的圖像教學造成了困難.借助DIS系統研究簡諧運動，不僅可以定量研究力與位移、力與時間的函數關系，同時，通過曲線擬合，還可以顯示力、位移隨時間變化的函數圖像，讓學生更容易理解簡諧運動的基本特征和規律.

關鍵詞：簡諧運動;DIS系統;函數圖像

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）17-0042-02

作者簡介：謝含冰（1984-），女，四川遂寧人，本科，中學一級教師，研究方向：高中物理教學;

唐強（1983-），男，四川綿陽人，碩士，中學高級教師，研究方向：高中物理教學.

1 教材實驗設計

教材設計了“水平彈簧振子”和“沙擺”兩個實驗[1]，教材實驗從簡單的實驗現象入手，讓學生通過觀察實驗現象，總結簡諧運動的特點，從而建立簡諧運動的基本概念，如圖1和圖2所示.在該過程中，可以培養學生的觀察能力和分析能力，以及把實際問題轉化為物理模型的能力.

分析教材可以發現：教材實驗設計簡單，操作容易，通過觀察和實驗，學生可以建立簡諧運動的基本概念，了解簡諧運動的基本規律.但是，兩個實驗不能定量研究力與位移、力與時間的函數關系，而沙擺的研究雖然可以大致看出位移隨時間成正弦規律變化，但是對實驗操作要求較高，若是模板運動不能勻速，則作出的圖像并非正弦或余弦曲線，實驗效果很差，因而并不能達到實驗目標，這就為后期簡諧運動的圖像教學造成了困難.

2 實驗改進——利用DIS系統研究簡諧運動

2.1 實驗設計思路

通過DIS系統，顯示力和位移隨時間的變化規律，利用軟件和數據分析，探究簡諧運動的周期以及回復力與位移的關系，在此基礎上通過控制變量法研究簡諧運動周期的影響因素，本實驗設計思路如圖3所示，利用彈簧在豎直方向做簡諧運動，運用傳感器建立簡諧運動與電腦終端的聯系，用數據采集器把簡諧運動的每一個狀態和過程完全用數據呈現出來，在此基礎上應用計算機軟件進行數據分析和函數分析，從而獲取物理規律.

2.2 實驗裝置圖及器材

本實驗所用的實驗器材包括：數據采集器、位移傳感器、彈簧、重錘、計算機及數據連接線，實驗連接圖如圖4所示.

2.3 實驗操作流程

2.3.1 力傳感器調零，位移傳感器校準

把重物豎直懸掛，待重物靜止后，點擊“調零”按鈕，將靜力傳感器調零，如圖5所示.在以后的運動中，無論重物位置怎么改變，系統會默認此位置回復力為零，即為平衡位置，當重物偏離平衡位置時，就會出現拉力，系統就會記錄每一個時刻的拉力大小和方向.

位移是質點相對于參考系的位置變化，要記錄位移的變化，必須找出一個參考系，即為基準位置，為了后面操作方便，可以把重物拉到鐵架臺的最下面，以后每次釋放都從基準位置釋放，偏離此位置的距離即為位移的大小.

2.3.2 實驗內容

（1）觀察簡諧運動的運動特征，探究位移和力隨時間的變化規律

把重物拉到位移基準位置釋放，重物上下做簡諧運動，振動穩定后點擊“開始”，觀察回復力、位移隨時間變化規律，可以觀察到重物在平衡位置兩側來回運動，同時計算機屏幕上可以看出“力和位移隨時間周期性變化”（如圖6），利用軟件“擬合”功能可以找出回復力和位移變化的周期大小.觀察實驗現象，可以讓學生了解簡諧運動的基本特征及力和位移變化的正弦曲線，為以后學習簡諧運動的圖像奠定基礎.

（2）曲線擬合：探尋力與位移的變化規律

把力和位移圖像同時呈現在一副圖（如圖7），通過曲線擬合，可以發現：力與位移變化的步調完全一致.分析函數，不難發現，二者變化的周期完全相同，但力和位移的大小不同，但比值是一個常數，實驗結果與簡諧運動的基本理論是完全吻合的.

（3）改變實驗條件，分析影響周期的因素

利用控制變量法，分別改變振子質量和彈簧，重復以上步驟，可以得到結論：振子振動周期與重物的質量無關，與彈簧有關.

2.3.3 數據分析

分析和處理數據是學生實驗的重要能力，本實驗通過傳感器可以獲得多組數據，在處理數據時，可以根據需要選擇一定數量的數據，引導學生通過數據對比分析，尋找規律等方法來分析數據，培養學生的數據意識及處理數據的能力，分析數據可以發現，經過相同的時間力和位移圖像重復，說明力和位移隨時間是周期性變化的，通過分析可以發現二者變化的周期是相同的，如圖8所示.

可見，無論是實驗現象、數據分析，還是曲線擬合，都可以說明，簡諧運動是在平衡位置兩側往復運動，力和位移隨時間均呈周期性變化，且變化的周期相同;同時，數據和函數反映出“力和位移都有一個最大值，且他們之間的比值是一個常數”.

3 結束語

物理學基于觀察與實驗，建構物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的研究方法和理論體系[2]，在此過程中，需要依托實驗平臺，逐步培養學生敏銳的觀察能力、嚴密的數據分析能力和邏輯推理能力，因此在教學過程中，教師也應該優化實驗設計方案，改進實驗設計，增大實驗的可視性，讓學生通過觀察發現物理規律，在此基礎上通過數據分析和函數分析深化對概念、規律的理解，并在此過程中熟悉控制變量法、放大法等基本實驗方法.

高中物理知識較為抽象，學習難度大，解決問題需要嚴密的邏輯思維，思維訓練也是高中物理教學的一項重要要求，實驗不僅是習得知識，解決問題的過程，同時也是培養學生解決問題的能力和形成科學思維的重要手段，這一過程是一個長期的過程，需要教師引導，學生之間交流合作.

參考文獻：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書（選修3-4）[M].北京：教育科學出版社，2005.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-05-26）