物理學是一門以實驗為基礎的學科。在信息技術迅速發展的今天,信息技術與物理實驗教學的整合顯得尤為重要。筆者在進行“基礎物理實驗的分層次教學教改”實驗中,積極鼓勵學生采用不同的實驗方法完成同一實驗,有的學生采用“數字化信息係統(Digital Information System,簡稱DIS實驗室)”,完成單擺測重力加速度的實驗。通過本次實驗,學生不僅掌握了先進實驗設備的使用方法,而且深刻體會到先進科學技術在基礎實驗研究中的優勢地位。
眾所周知,利用單擺可以準確地測定各地的重力加速度。根據,有,隻需測出擺長l和周期T,便可求出重力加速度。為了減小測量誤差,就必須減小擺長l和周期T這兩個測量量的誤差;同時需要多次測量重力加速度取平均值。如用傳統的實驗儀器和方法,不太容易提高其準確度,且計算量特別大,需要實驗結束後用計算機器才能完成。若用DIS實驗室完成該實驗則輕鬆容易得多,隻需準確地測量出擺長,數字采集器可自動測量出單擺的周期,點擊一些按鈕便可實現計算重力加速度、描繪T-l圖像和T2-l圖像等功能。
1 器材
計算機、DIS數據采集器、光電門(時間傳感器)、細線、金屬擺球、鐵架台、米尺。
2 裝置
用金屬球與細線組成單擺,用鐵架台懸掛起來。將光電門固定在單擺球平衡位置的下方,使擺球的中央恰好擋住光電門的光束。將傳感器與數據采集器相連,數據采集器與計算機相連,裝置如圖1所示。
3 步驟
1)打開“友高數字化實驗室V3.3”,依次點擊“物理實驗”“單擺”“實驗窗口”按鈕,進入單擺實驗窗口,出現圖2所示界麵。
2)用米尺測出擺長l,填入“擺長”的大窗口中。
3)讓擺球擺動起來,擺角要小一些(最好不超過5°),擺動盡可能處在與光電門的光束垂直的平麵內。
4)單擊“開始采集”,則表格中逐次顯示出連續測量到的周期T值和它們的平均值。
5)單擊“停止采集”,然後單擊“記錄數據”,則當前的一組l、T值(平均值)就會紀錄在表格中。
6)多次改變擺長,重複2、3、4、5步驟,公測出不少於6組l、T值(平均值),也會自動記錄在表格中(擺長要在0.5~1.5 m範圍內取值)。
7)單擊“計算T2”,則表格“T2”欄中就會出現一個根據每一個T值計算出的結果。
8)單擊“計算g”,則表格“g”欄中就會出現一個根據每一組l、T值計算出的結果,以及這些個g的平均值。
9)單擊“保存表格”,將表格保存到“實驗報告”中。
10)選定“T-l”圖像,單擊“畫點”,則坐標中出現表格中各組l、T對應的數據點;單擊“數據點連線”,則依據這些數據點畫出一條曲線。單擊“保存圖像”,將圖像保存到“實驗報告”中。
11)選定“T2-l”圖像,單擊“畫點”,則坐標中出現表格中各組l、T2對應的數據點;單擊“數據點連線”,則依據這些數據點畫出一條直線。單擊“保存圖像”,將圖像保存到“實驗報告”中。
12)完成實驗報告,單擊“存盤”,則會自動形成一個Word文檔形式的實驗報告。
筆者應用DIS完成“單擺”實驗的數據表格及圖像分別見表1和圖3。從實驗結果不難看出,相對誤差很小,僅為0.2%,並且將學生從繁瑣的計算中解脫出來。
4 思考與探究
1)單擺的振動周期與擺球的質量有無關係?
2)單擺的振動周期與擺球的振幅(或擺角)有無關係?