基于DIS技术的单摆摆长与周期定量关系探究

作者:王化忠;周兵 刊名:科技资讯 上传者:董海鹏

【摘要】本文根据数字化信息实验系统(简称DIS)的构成和实现功能,利用光电传感器和位移传感器同时测量单摆的周期和摆长,寻找单摆周期与摆长的定量关系。试验中使学生在熟悉DIS软件操作技能的基础上,能从中体验用计算机辅助系统进行科学探究的过程,学会科学探究的基本思想和基本方法,从而培养学生对科学研究的浓厚兴趣。

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1数字化信息系统1.1DIS构成[1]数字化信息系统(简称DIS,是DigitalInformationSystem的缩写)应用传感器和数据采集器自动获取和输入实验数据,是由“应用传感器+数据采集器+实验软件包(装有实验软件包)+计算机”构成的新型实验系统。DIS通过计算机的快速处理得到实验的结果,提高了教学效率,使学生可以有更多的时间用于自主探究活动,改变传统的教学模式。如图1所示,DIS的构成主要包括:数据采集器是本系统的核心部件,它内置了高性能的中央处理器,并配有高速模数转换器,能准确及时地把实验现场采样到的数据进行分析处理,采样数据经组包后,通过通信口发送到计算机进行显示分析。数据采集器具有以下特点。(1)具有四路火线数据采集口,各类传感器可任意插接到某一数据采集口;(2)内置高速模数转换器和高性能的微处理器;(3)采集器能自动识别传感器;(4)高速通信口;(5)体积小重量轻;(6)安全稳定。1.2DIS的实现功能DIS系统可将将数字文化与课程标准理念相结合,建立了崭新的理工科实验教学体系,为理工科教学提供了全新的实验教学平台和技术手段,使学生体验到数字化、信息技术带来的革命性变化,提高学习兴趣和探究欲望。其次DIS系统可以把信息技术与传感技术应用到实验教学环节,与传统实验仪器相比有更高的精确度、准确性、适时性和探究性。此外,DIS系统应用传感器、计算机、仿真实验等技术,扩展了理工科实验教学的内涵和教育功能,如:在观察环节上,DIS可以极大地扩展实验的可视性和可重复性;在数据采集环节上,DIS可以更快更准地得到实验数据,通过对DIS实验数据的采集、列表、作图、拟合和转换等环节的处理过程,感受研究物理规律的科学方法和过程;在数据分析环节上,DIS利用计算机的强大数据处理能力,可以将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来,提高了教学效率,使学生可以有更多的时间和精力用于科学探究和创新活动,改变了传统的教学模式[2]。2应用DIS实验技术,探究单摆摆长与周期的定量关系2.1目的要求用DIS实验技术探究摆长对单摆周期的影响及其定量关系,通过实验让学生理解两者的定量关系,并熟悉DIS实验仪器和软件操作技能,学会怎样用DIS软件处理实验数据。使学生在这个过程中体验用计算机辅助系统进行科学探究的过程,学会科学探究的基本思想和基本方法,从而培养学生对科学研究的浓厚兴趣和科学探究能力。2.2实验设备[1]如图2所示为DIS试验系统实物图,主要的仪器设备有:DIS设备(数据采集器、光电门传感器、连接线)、铁架台、摆球、细绳和米尺。2.3实验原理[3]和方法一根不可伸长的细线,上端悬挂一个小球。当细线质量比小球的质量小很多,而且小球的直径又比细线的长度小很多时,此种装置称为单摆,如图2所示。如果把小球稍微拉开一定距离,小球在重力作用下可在铅直平面内做往复运动,一个完整的往复运动所用的时间称为一个周期。当摆动的角度小于5度时,设小球的质量为m,其质心到摆的支点O的距离为L(摆长)。作用在小球上的切向力的大小为mgsin,它总指向平衡点o'。当角很小,则sin,切向力的大小为mg,按牛顿第二定律,质点的运动方程为ma切=?mg(1)即ddt22=?gl(2)这是一简谐运动方程(参阅普通物理学中的简谐振动),可知该简谐振动角频率l=g,由此得出:=2T=gl,可以证明单摆的周期T满足下面公式:T=2Lg(3)L=4g2T2(4)式中L为单摆长度。单摆长度是指上端悬挂点到球心之间的距离;g为重力加速度。细绳和摆球按照正确要求悬挂以后,用位移传感器可以测量摆长,

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