利用计算机和传感器探究牛顿第二定律教学方法研究

魏富城●

广东省台山市联合职业技术学校(523005)

利用计算机和传感器探究牛顿第二定律教学方法研究

魏富城●

广东省台山市联合职业技术学校(523005)

在牛顿第二定律教学中，采取传统实验教学法得出的数据有着较大误差，容易使学生对牛顿第二定律的内容产生质疑.基于这种情况，本文使用计算机和传感器完成了实验装置的改进，减小了实验误差，从而获得了有利于学生理解牛顿第二定律的实验效果.

计算机；传感器；牛顿第二定律；教学方法

在开展牛顿第二定律教学时，需开展加速度、力和质量关系的探究实验，以帮助学生更好理解牛顿第二定律的内容.但采取教材中的实验方法，在实验过程中会产生过多误差，无法得到物体加速度与所受外力成正比、与物体质量成反比的结果.为减小误差，需使用计算机和传感器实现教学装置改进.

一、传统实验中的误差分析

在开展牛顿第二定律教学时，传统实验需要将拉小车或滑块的悬挂物重力当成是拉力.实际上，利用悬挂物拉动小车的过程中，悬挂物将处在失重状态，其对小车的拉力要比自身重力小，在悬挂物的数量越多的情况下，越无法满足悬挂物质量远远小于小车质量的条件，误差也越大.并且实验中需要通过反复移动用于平衡系统的木块使小车保持匀速运动，这种操作将影响实验装置的稳定性，容易在反复操作中产生误差.

二、利用计算机和传感器实现教学改进的方法

1.改进方案的可行性分析

运用计算机进行实验系统的建立，可提高实验数据精确度.使用光电门传感器开展实验，则可减小平衡摩擦力时的误差，能避免学生在打纸带和处理数据上花费过多时间，提高课堂教学效率.从测量精度上来看，使用光电门传感器可达到1μs的测量精度，为进一步减小实验误差，还要使用力传感器.使用该传感器进行天平的替代，则能简化实验器材，为实验的开展提供更好的条件.

2.实验装置的改进方法

具体改进实验装置时，需使用计算机、数学信息化实验系统、与系统匹配的力学轨道、砝码、光电门传感器、力传感器、小沙桶、挡光片等附件.利用力学轨道配套附件完成光电门传感器的组装后，就可将两个传感器分别接入到数据采集器的两个通道.在此基础上，需在小车上完成挡光片安装，挡光片宽度为0.020m.同时还要利用蝶形螺栓和“L”型挂架在小车上进行力传感器的固定，而力传感器需保持直立，以确保小车能够在轨道上平稳运行.固定过程中，需使力传感器的测钩平行于轨道，然后在力传感器上进行无线发射器安装.在无线发射器和力传感器之间，需要安装宽度为0.020m的挡光片.

通过反复实验发现，使用带有数据线的力传感器开展实验，会导致小车的运动受到数据线的扭力影响.为解决此问题，使用无线力传感器替代有线的力传感器，但由于力传感器高度过高，小车无法实现顺利挡光.因此又重新进行光电门位置的调整，以确保小车顺利挡光.通过不断改进，发现可以实现传感器配套附件的自由组合，从而通过改变力传感器和光电门传感器的位置顺利开展实验.

3.实验教学的过程分析

在利用改进实验装置实验前，还要做好挡光片位置的调整.针对光电门传感器的挡光片，需要使其与轨道一段高度保持一致.在此基础上，需反复轻推小车，直至小车通过两光电门的时间几乎相同，才能够完成挡光片位置的固定，固定好后，需利用天平完成质量为0.006kg的小沙桶秤量，然后将小沙桶悬挂在滑轮下方，并且使用细绳将其与小车连接起来.为测量小车所受拉力，要使用细绳将小沙桶与力传感器挂钩连接.在小车运动的过程中，传感器能够直接完成绳上拉力的测量，所以能够使系统误差得到消除.为探究质量与加速度关系，实验过程中需要使用力传感器进行小车及配重质量的测量.为此还要使用另一个力传感器，将小车及配件整体挂在传感器测钩上.

在测量时，需在系统中点击“调零”按钮，使传感器归零.经测量，小车及配重重力为3.98N，质量为0.407kg.在实验过程中，需逐次增加小沙桶质量，并完成数值记录.在系统中，要完成“表格”的点击，系统会自动将挡光片经过光电门传感器的时间分别记录为t1和t2，时间间隔为t12.在系统中完成“公式”中的自定义点击，系统能够利用公式a=(0.02/t2-0.02/t1)t12完成a值的计算.小沙桶质量每改变一次，系统表格会完成相关数据自动记录，并完成a值计算.在该表格中，m1为小沙桶质量，通过输入“拉力”表达式，即f=m1*9.8N，得到拉力计算结果.在系统中点击“绘图”，将a值当成Y轴，f值当成X轴，进行“线性拟合”按钮的点击，则可得到一条直线(图1).

图1

4.实验教学的效果分析

通过分析实验结果发现，使用力传感器进行质量测量，可完成小车和配重质量的精确测量，实验结果误差值较之利用天平测得的值小很多，得到的直线接近原点，与纵轴的截距为0.01m/s2.对比传统实验，使用计算机和传感器获得的实验误差较小.计算机和传感器的操作比较容易，并且拥有较高的灵敏度，可及时完成数据收集和处理，还能提供实验图像，更容易被学生接受，也更能激发学生的实验热情.

[1]刘茂军,孟超,陈胜男等.基于传感器的牛顿第二定律实验设计与研究(续)[J].中学物理教学参考,2014,Z1:105-106.

[2]李维兵.加强物理实验探究 发展学生综合能力——以牛顿第二定律教学剖析为例[J].教学仪器与实验,2012,10:14-16.

[3]张育霞,程芳卉.力传感器在《探究加速度与力、质量的关系》实验中的妙用[J].教学仪器与实验,2015,03:60-62.

G712

B

1008-0333(2016)36-0047-01