d+is+实验用于弹簧振子简谐运动的教学研究

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1、D+IS+实验用于弹簧振子简谐运动的教学研究２０１４年第１０期　　　　　　　　　　　　　　　物理通报　　　　　　　　　　　　　物理实验教学ＤＩＳ实验用于弹簧振子简谐运动的教学研究王佳（上海市闵行区鹤北初级中学　上海　２００２４０）郭长江（上海师范大学数理学院　上海　２００２３４）（收稿日期：２０１４０２１７）摘要：在高中物理教学中，ＤＩＳ实验变得越来越重要，本文介绍了用ＤＩＳ实验观察弹簧振子在竖直方向上的振动情况，通过实验操作、观察分析、数据处理，阐明弹簧的弹力与回复力之间的关系，并计算出弹簧劲度系数κ的值，使

2、学生更加直观地理解不同弹簧有着不同的劲度系数．笔者通过对弹簧振子的传统实验以及ＤＩＳ实验的对比，不仅验证了竖直方向上形变量与回复力成正比，还对实验进行了改进与创新，总结出了使用ＤＩＳ实验的优点．关键词：弹簧振子　简谐运动　ＤＩＳ实验　物理教学　　高一学生正处于心理折叠能力［１］的又一个发展期，在物理课堂教学过程中尽可能使用符合学生心理发展特点的教育手段，才能大幅度促进学生认知能力的发展．例如，在教学过程中使用一定的多媒体技术辅助物理课堂教学，积累学生的空间感觉，通过教师的演示实验以及学生的自主实验，使学生对二维

3、和三维空间中的运动更清晰、直观．随着科学技术的不断更新，ＤＩＳ实验进入了高中物理教学，逐渐广泛地应用ＤＩＳ来设计实验，运用传感器与计算机直观模拟物体的运动状态，具有较强的时代性．沪科版高中物理新课改课本中，机械振动这一章内容位于高一物理第二学期的课本中，其中在第一节介绍机械振动中，就是根据描述弹簧振子的振动过程，引导学生分析受力情况、归纳振动规律，从而总结出简谐运动的概念及物理量的意义．课本中探究了水平方向上弹簧振子的受力情况与振动过程．不少研究者考虑到小球受到摩擦力的作用，使用气垫导轨来减小摩擦力对振动效果的

4、影响．本文将介绍弹簧振子在竖直方向上的振动情况，并用ＤＩＳ实验方法将现象直观化、具体化．１　竖直振动的弹簧振子传统实验弹簧振子在竖直方向上振动的传统实验，器材如图１所示．振子的位移与回复力（弹簧弹性力和重力的合力）有关，弹簧振子在竖直方向上的运动是一种简谐运动．此传统实验由于是一个动态的过程，所以读数比较困难，因此实验效果不够理想．图１　上端固定的弹簧振子２　用ＤＩＳ实验改进操作方法２．１　ＤＩＳ方法及原理阐述在研究弹簧振子回复力与位移关系的这一实验中，需要使用运动传感器、数据采集器、计算机、数据线等．如图２所

5、示，（线性）运动传感器２（ＭＤＢＴＤ）简介：王佳（１９８９　），女，硕士，教师，主要从事中学物理教学，研究方向为物理课程与教学论．指导教师：郭长江（１９７４　），男，博士，副教授，主要从事物理课程与教学论研究．—７５—２０１４年第１０期　　　　　　　　　　　　　　　物理通报　　　　　　　　　　　　　物理实验教学发出短脉冲的超声波，遇到物体表面后，发生反射，探测器通过接收反射信号所用的时间，以及声音在空气中传播的速度，计算出最近的物体离开传感器的距离．但由于超声波在来回传输过程中需要一定时间，若物体与超声波的发射

6、源距离过近，则计算机上显示出的距离将存在较大偏差．故在使用运动传感器时，一般将被测物置于１５ｃｍ之外，并在运动过程中求其相对位置，则可减小此影响．此外，从发射感器连接至数据采集器中，并与计算机相连，如图３所示．源发出的超声波有一定的张角Ω，一般呈１５～２０°左右的锥形体积，所以实验操作过程中，要保证被测物周围没有其他物体的干扰．例如在测量竖直方向上运动物体的位移大小时，要保证其在竖直方向振动，若存在摆动，则由于斜边大于直角边，通过运动传感器读出的数据将大于真实值，从而产生操作误差．图２　运动传感器运动传感器可测

7、量的最佳距离范围为０．１５～６有一些实验需要运动传感器与其他传感器配合使ｍ，分辨率为１ｍｍ．此实验使用了运动传感器，还用，例如，配合力传感器探测力和运动的关系，配合光传感器探测平方反比定律，配合磁场传感器探测磁场在不同位置的变化等．由于传感器自身的性质，在使用过程中不能超过其测量的最佳范围，避免其他物体（如桌子、人等）在测量区域内，使测量产生误差．２．２　实验步骤（１）将铁架台放置在水平桌面上，把一轻质弹簧悬挂在铁架台上，并使弹簧自然下垂保持竖直向下．（２）将钩码悬挂在轻质弹簧的另一端，在其正下方水平放置一位移

8、传感器，并按照要求将位移传—７６—图３　实验装置的摆放与连接（３）在电脑中找到ＤＩＳ软件，打开ＬｏｇｇｅｒＰｒｏ．竖直向上提起钩码，使轻质弹簧恢复原长后松手，点击“开始采集数据”．在实验过程中，必须保持弹簧的振动方向是竖直的，以免由于弹簧的摆动而产生误差，使实验数据不准确．２．３　问题与改进在实验测量中，发现由于钩码下方不平整，影响了传感器的测量．故将纸裁剪成与钩码底面积相同的圆面，并