单摆法测重力加速度实验设计

摘 要： 本文以单摆法测重力加速度实验为例介绍DIS在物理实验教学中的应用及相对于传统实验的比较。

关键词： 单摆法 重力加速度 DIS实验 传统实验

1.引言

在日常的中学物理教学中，引导学生建立物理概念和掌握物理规律是教师的主要工作，而以学生分组实验的形式进行教学是一种很好的手段，但是对于一些传统的学生分组实验，其实验的数据往往和理论值相差较大。这样，实验的说服力就较弱了，往往让授课教师的处境非常尴尬。在“单摆法测重力加速度”这个学生分组实验中，我们可以对传统的实验进行改进，利用DIS实验技术进行“单摆法测重力加速度”，这样可以取得更明显的实验效果。

2.DIS的含义

DIS（Digital Information System）实验技术，又称“数字化信息系统”，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。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■。

3.传统实验与DIS实验在单摆法测重力加速度中的比较

3.1传统单摆法测重力加速度实验的设计思想

如图1所示，首先将实验所用仪器：铁架台、摆线、秒表、小球放于水平桌面上，将长线把小球吊在支架上，构成一个单摆，即如图所示装置。然后用米尺测出摆线长L，用游标卡尺测出小球直径d，用秒表测出n个周期所用时间t，根据单摆周期公式：T=2π■=■，得：g=■，即求出的g为重力加速度。

3.2传统单摆法测重力加速度实验中存在的问题

传统探索单摆法测重力加速度的实验方案如图1所示，实验存在无法克服的系统误差，如传统实验中使用的是秒表，由学生观察记录单摆周期。这就要求操作者不仅细心，还反应快、动手快。如果在操作过程中注意力不集中，把摆动周期数数错；或是反应不够快，没有及时按下秒表；或是在操作过程中不规范，在释放小球时没有让小球和摆线在同一平面内摆动，而是在做圆锥摆，这些都会给实验带来较大误差。即使实验者反应灵敏，动作迅速，这样记下来的实验数据也还是有一定的误差的，这样得到的实验结果往往很难让学生信服，使学生对实验本身产生质疑。所以，大多数教师习惯用“在误差允许的范围之内，实验结果是成立的”这样的语句来解释，来打消学生产生的疑问。长此以往，不但挫伤了学生实验的积极性，而且对学生的人生观和价值观产生了一定的负面影响。

3.3 DIS实验对单摆法测重力加速度实验的改进

许多研究者针对上述传统单摆法测重力加速度实验中存在的一些问题，做了很多有意义的研究工作，并且围绕以下两个方面进行了一些改进。

（1）如何定量解决单摆周期的问题。

采用计算机、光电门传感器、数据采集器等DIS Lab实验器材，使小球摆动时在最低点通过光电门传感器，由数据采集器直接记录单摆周期。

（2）如何提高学生计算准确率及工作效率。

采用数字化信息系统，数据采集器采集到数据之后直接输入计算机，由计算机直接运算，要求学生熟悉计算机及数据采集器、传感器的连接与操作，在学习新的知识的同时减小计算误差，提高学习效率。

4.DIS用于单摆法测重力加速度实验的开发设计

4.1实验目的

（1）测定单摆周期，验证单摆振动的等时性。

（2）利用单摆测量当地的重力加速度。

（3）了解光电门传感器的使用，学习用数字化信息系统获得数据并处理数据的方法。

4.2实验原理

单摆的振动周期不随幅度的改变而改变，具有等时性。由单摆周期T=2π（L/g）■，得到重力加速度为g=4π■L/T■。

通过数字化信息系统平台，小球摆动到最低点的时候通过光电门传感器，测量记录单摆周期，通过计算机进行数据处理，求出加速度。

4.3实验仪器

铁架台、刻度尺、数字化信息系统平台、一个光电门传感器、数据采集器、数据线、计算机、摆线、小球。

4.4实验过程

（1）将光电门传感器固定在单摆的平衡位置处并将其接入数据采集器第一通道。

（2）在电脑窗口中点击“光电门设置”，将挡光片类型改为“单摆”。

（3）逐步调整传感器的位置和单摆摆长，使摆球通过传感器并能够顺利挡光。

（4）打开“计算表格”，用手使摆球摆动，点击电脑窗口中“自动记录”的“开始”，此时，电脑将会自动记录单摆的周期，大概记录20个周期后，点击“结束”，此时停止记录数据。

（5）测量摆线的长度L（本次实验为0.5325米）。

（6）点击计算表格中的“变量”选择变量名称L，并赋予默认值为0.5325，点击“公式”，调用“力学”公式库中的“单摆测重力加速度”公式，注意确认公式变量对应表格项，计算出重力加速度的值（图4）。

（7）比较实验中测得的重力加速度与当地实际重力加速度值的差别。（实验地：安徽芜湖，9.7944）

在此实验中要确保光电门的放置始终在单摆的平衡位置，才能进一步减少误差。用本实验的方法进行测量，没有“传统的系统误差”，偶然误差也相对较小，并且能测量多组数据，实验结果非常精确可信。实验简单精确，值得推广。

5.采用DIS实验技术进行实验的优势和不足

对比传统的实验方法，采用DIS实验技术进行单摆法测重力加速度这个实验存在以下的一些优势和不足。

5.1存在的优势

（1）在记录实验中周期时，采用计算机、光电门、数据采集器等DIS Lab实验器材，使小球摆动时到最低点时通过光电门传感器，这样直接由数据采集器直接记录单摆周期，实际实验的时候发现，通过这种方法来进行实验，实验的精确程度得到了很大的提高。

（2）对比传统的实验，采用DIS实验技术进行实验时学生处理数据用去的时间要相对少很多，这样教师就可以在同样的时间内加大实验探究要素的比重，这样就可以提高学生的学习效率，很好地发展学生的探究能力，即如图2所示。

5.2存在的不足

（1）采用DIS实验技术进行实验，所有数据的测量工作都是DIS Lab实验器材完成的，这就对学生的电脑等非物理技术要求相对较高，从而使得一部分学生在刚接触DIS Lab实验的时候，会有无从下手的感觉。

（2）采用DIS实验技术进行实验时，实验的结论直接通过电脑得出，学生省略了处理的步骤，这在一定程度上冲淡了学生对于实验公式的记忆、对实验原理的理解。

6.总结

DIS实验技术可以准确地描述各个物理量之间的关系，体现现代科学技术准确性高的特点，是以后中学物理教学的常见模式。但是，我们也不可以全盘否定传统的物理实验，应该尝试着将二者相互结合，使二者互相补充。比如在本实验中，在进行实验数据处理时，结合传统的实验中的特点，可以先让学生自己动手对个别实验数据进行演算，再采用DIS实验技术对全部的实验数据进行大量的处理。这样二者互补，既使学生加深了对实验原理的理解，也提高了实验数据处理的准确性。

参考文献：

[1]曾自力，申振.传统实验与DIS实验的有效整合[J].物理教学，2010，32（4）：23.

[2]李铁.数字化信息系统在高中物理实验设计中的应用研究[D].苏州大学，2008：30.