利用DIS系统对伽利略理想实验进行数据呈现

伽利略理想实验在初中和高中的物理学习中都有着极其重要的地位，尤其在高中阶段，伽利略理想实验是引领学生跨入牛顿运动定律世界大门的第一步。但受困于传统教学方法，多数教师在讲授这一章节内容时，往往采用语言描述或Flash播放的方式，这明显不符合高一学生对物理知识的认知特点。当然也有相当一部分教师会对伽利略理想实验进行演示，不过当学生对最终实验结论提出质疑时，教师往往难以用客观事实证明结论的正确性。随着科技的发展，传感器实验技术已经在常规教学中得到了广泛应用，那么利用DIS实验系统对伽利略理想实验进行数据呈现已不是一件难事，换言之，我们可以利用数据呈现出绝对光滑的水平面，而在传统实验中，这是很难办到的。

一、DIS实验系统

1.DIS实验系统

本实验采用朗威DISLab6.0整套实验设备， 它是由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）+计算机”构成的新型实验系统。DIS实验系统的工作原理是由各类传感器将实验过程中的物理量转化为电学量，进而由数据采集器将电学量转化成数字量后传输给计算机，计算机上的实验软件包就会识别并能对数据进行分析处理和输出。其实这也体现着科学研究中非常重要的“转化”思想。朗威DISLab实验系统配备有电流、微电流、电压、压强、温度、声波、位移、力、磁、光电门等多种传感器，其数据采集器与计算机以串行方式通信，采用四路并行输入，可同时接插四种传感器。该系统实现了实验数据自动采集，并最终通过输出终端PC显示呈现，利用DISLab6.0配套软件即可对数据进行整理、分析、拟合、绘图等快速处理。

本实验中主要使用力传感器与位移传感器这两类传感器，其中力传感器的使用与普通弹簧秤的使用方法无异，其优点有方便固定、测量准确、读数方便等，测量数据会在测量即时通过实验软件呈现在PC终端上。位移传感器在进行有关运动的相关实验时功能强劲，通过位移发射器和位移接收器可以直接记录下研究对象的位移s和时间t的数据。利用DISLab6.0配套软件自带的拟合、处理与绘图工具，可将s-t图转化为v-t图，若该运动为匀变速运动，还可以直接显示出对应加速度的数值。（原理解释：以匀变速运动为例，位移关于时间的函数通过一次求导即可得到速度函数，通过二次求导即可得到加速度，这一切的求导过程会由软件自动完成并生成图像，操作者无需录入，只需点击功能按键即可。）

2.DIS实验系统的优越性

现代传感器技术已经全面走进基础教育领域，国内外很多实验器材厂家根据中学理科实验的需求，开发出了先进的DIS实验系统，可以说这项新型实验系统为中学理科实验注入了新的活力。该系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。DIS实验系统具有操作简单、快速、方便、可靠、准确获得实验数据等特点，减少烦琐的数据处理，同时它具有实验过程的回放功能，从而使实验者更加专注于分析实验本身，加深对实验的理解。

二、伽利略理想实验

1.伽利略理想斜面实验（教学中难以演示）

图1为伽利略理想实验原理图。两个相连接的倾斜轨道，小球在轨道上运动会先下降后上升。伽利略发现忽略摩擦力，小球上升的高度与释放的高度始终相等，于是他推测，如果是一个倾斜轨道接一个水平轨道，那么小球永远也不能上升到初始高度，于是小球就将永远运动下去。在实际教学中常常采用下述方法进行伽利略理想实验的论证。

2.初中与高中教学演示实验

图2为初中与高中教学演示实验原理图。让小车从斜面同一位置自由滑下，保证小车以同一初速度划上水平接触面，水平面依次为毛巾表面、棉布表面、木板表面，并记录小球在毛巾上滚动的距离。实验结论：小球停止下来是因为受到了摩擦力的作用，摩擦力越小，小球运动得越远。若接触面光滑无摩擦力，小球会一直运动下去。

三、学生的学情分析

从高一学生的认知角度出发，学生对未知的知识充满好奇，渴望用已掌握的知识进行思考与探索，正是源于学生的认知心理，新课改鼓励开展研究性学习和探究性实验。高一学生在学习伽利略理想实验之前，已经初步掌握运动学的基本物理量及其相关公式，对力有了充分的认识，也能够准确分析物体的运动状态，但力与运动尚未构成体系。伽利略理想实验作为力与运动的开篇章节，应当让学生充分理解，加深认识，这对后续牛顿运动定律的学习有着积极的促进作用，因此，我们又要借助DIS实验系统开展实验教学，帮助学生突破认知难关。

四、实验原理

图3即为本实验的实验原理图，压缩弹簧使滑块以相同初速度滑上不同接触面，依次更换接触面，接触面由粗糙逐步过渡至较光滑，通过位移传感器采集加速度信息，即可直接呈现V-t关系（如图4所示），通过计算机收集、分析并对数据拟合，从而对绝对光滑的情况加以数据呈现，进而展现出了由粗糙过渡到绝对光滑无摩擦时的理想物理情景。

五、实验器材

①导轨：压缩左端弹簧，给滑块提供一个初速度，右端用于放置不同的接触面；

②接触面：依次为粗铁板、木板、瓷砖、磨砂玻璃、光面玻璃；

③滑块：前段呈圆弧状，以确保滑块运动的流畅性，滑块上端可以固定位移发射器；

④位移传感器：采集滑块位移信息，得到v-t图，并可以直接从计算机拟合得到加速度；

⑤数据采集器：采集传感器信息并转至计算机；

⑥计算机：记录数据，处理数据；

⑦力传感器：测量力的大小；

⑧固定支架：在测量滑块与接触面之间滑动摩擦力过程中起到固定力传感器的作用。

（本实验采用的传感器均为“朗威DISLab”系列仪器）

六、实验步骤（附参考数据一组）

（1）将力传感器与数据采集器相连，数据采集器与计算机相连。再将位移发射器固定在滑块上，使用力传感器测出滑块与位移发射器的总重为G=1.97 N。

（2）按照图6组装仪器，将力传感器固定在固定支架上，水平钩在滑块上，保证力传感器与滑块水平勾连。在小车下方依次放置5种接触面，并将接触面用水平拉力水平拉动。通过计算机数据记录下小车分别在5种接触面上运动时的滑动摩擦力大小f1，f2，f3，f4，f5，填入表1。

（3）根据滑动摩擦力计算方法可得：滑动摩擦系数?=f/N（其中N大小等于重力G），填入表2。

（4）按照图3安装实验装置：把导轨放置在水平台面上并加以固定，在滑块上固定好位移发射器，在导轨左端与位移发射器等高处安装位移接收器，并将位移接收器通过数据线连接至数据采集器，将数据采集器与计算机连接。

（5）在导轨右侧，放置接触面—粗铁板，并加以固定，向左拉动滑块，压缩弹簧，然后释放滑块，让滑块以一定速度水平弹出（注：本实验中弹簧压缩量始终不变，以保证滑块到达水平接触面时有同样的水平初速度），通过位移采集器记录滑块在粗铁板上运动的信息，观察计算机自动生成的v-t图，并可直接读出对应的加速度a。重复实验步骤，多次测量，将数据记录在表3中，求取加速度a1平均值。

（6）接触面分别更换为木板、瓷砖、磨砂玻璃、光面玻璃，重复步骤（5），并将数据记录至表3中。

（7）将对应的加速度a与摩擦系数?的数据记录在表4中。

（8）使用计算机作图并进行线性拟合加速度a与滑动摩擦系数?之间的关系（如图7所示）。

七、实验分析与结论

如图7所示，加速度a与滑动摩擦系数?呈正比例关系，图像经过原点。其中，原点意味着滑动摩擦系数?=0，即为绝对光滑无摩擦的理想状态。由于图像经过原点，则说明当水平面绝对光滑无摩擦时，a也等于0，即滑块没有加速度，因此滑块将会永远做匀速直线运动。

实验结论：本实验中，如果水平接触面绝对光滑无摩擦，滑块将永远处于匀速直线运动状态。

八、结束语

本实验基于DIS系统创设实验方案，通过数据记录与拟合，直观呈现了绝对光滑无摩擦时的物理情景。透过这个过程，学生应用高中知识对伽利略理想实验有了更深刻的认识，这有利于提升学生自主探究问题的能力，帮助学生掌握处理数据的基本方法。同时，在学习牛顿第一定律前开展该实验，有助于搭建初、高中知识平台，引导学生自主对高中牛顿第一定律和牛顿第二定律的思考。

参考文献

[1] 冯容士，DISLab通用软件与实验教学[J].物理教学，2005（6）：13.

[2] 孟小兵，DIS技术与传统实验的结合[J].物理教学探讨，2011（9）：53-55.