重庆市朝阳中学 重庆市 400700
摘要:利用智能手机中常见的传感器,借助软件sensor kinetics软件中线性加速度计功能,测量物体与弹簧的连接体在弹簧断开瞬间,物体加速度大小,加深同学们对瞬时加速度的理解与记忆。详细介绍了实验的过程,与软件的应用。
关键词:手机传感器、瞬时加速度、sensor kinetics软件
1 引言
瞬时加速度即单位时间内速度的变化量。在高中物理教学中,关于瞬时加速度的题目对于高中生而言分析困难且难理解,它主要分为两种题型:1、刚性绳模型(它的形变的发生和过程时间短,在轻绳断开瞬间,它的形变会随之改变,物体受力情况也会随之改变。)2、轻弹簧模型(在物体受力改变的瞬间,由于弹簧来不及发生形变,物体的受力情况在弹簧断开瞬间不会改变。)对于上述两种物理模型,高中生普遍难以区分并会对受力是否变化产生疑惑。如何让高中生理解并灵活运用这两种物理模型成为一大难题。
利用智能手机上sensor kinetics软件进行实验可以解决这一难题。目前,越来越多的老师尝试在物理课堂上使用智能手机帮助物理教学,例如:使用手机拍照、录像功能,为学生展示物理现象,增强课堂的趣味性;使用手机作为光源或接收源,向学生展示光学现象;利用手机上物理实验室程序,开展虚拟仿真实验等等。
2 传感器软件Sensor kinetics 软件下载及功能介绍
2.1 软件Sensor kinetics下载
打开手机中“应用商店”软件或在浏览器中搜索“sensor”,下载并安装软件。
2.2功能介绍
打开Sensor kinetics(如图1界面)可对加速度、磁感应强度等物理量进行测量,本次实验将会运用线性加速度计对轻弹簧模型进行实验。
图1
3 实验过程
3.1实验目的
探验证下挂重物的弹簧断裂后到恢复原长前,重物受到到弹力与重力两个力的作用,导致其加速度变化情况与刚性绳不同。
3.2实验器材
安装Sensor kinetics的带手机壳的智能手机一部,有挂钩的弹簧一个(弹性限度足够大),缓冲物(如沙袋)一个。
3.3实验步骤
在实验中,将手机分别用弹簧、刚性绳(用手模拟)悬挂,使其受力平衡;保证手机下落前的高度不变,由于弹簧在断开后(由手放开弹簧进行模拟)恢复原长前手机仍会受到弹力(拉力)与重力的作用,而由刚性绳在断开后(由手直接放开手机进行模拟)手机将只受重力作用,开始向下运动,从而这两种不同的掉落方式会产生时间差。重复试验,利用Sensor kinetics软件的高精度特点,我们可以测量计算出这个时间差,得出相应结论。
(1)打开手机,选择Sensor kinetics软件,打开线性加速度计。
(2)将手机悬挂在弹簧上,手持弹簧上端,尽量使弹簧全部伸长下方放置缓冲物,使缓冲物与手机保持适当距离(本实验中为50cm)。
(3)点击开始;待手机保持静止后放手。
(4)手机掉落至缓冲物上后等待几秒,再拿起手机点击停止。
(5)在图像中找到手机掉落这一过程,放大时间轴(精确到小数点后四位),记录下手机加速度开始改变的时间点和接触缓冲物的时间点,计算出时间差后记录。
(6)手持手机置于缓冲物上方,保持与缓冲物50cm的距离,重复步骤(3)(4)(5)。
(7)再重复以上步骤两次,共获得三组实验数据。
3.4实验数据记录与处理
通过实验,我们选取了其中三组数据,记录如下:
组数 | 无弹簧 | 有弹簧 | ||||
开始时间/s | 结束时间/s | 时间差/s | 开始时间/s | 结束时间/s | 时间差/s | |
1 | 2.8832 | 2.9635 | 0.0803 | 3.7667 | 3.9272 | 0.1605 |
2 | 4.4809 | 4.561 | 0.0801 | 4.8792 | 5.0405 | 0.1613 |
3 | 0.0552 | 0.7356 | 0.0804 | 6.9592 | 7.1205 | 0.1613 |
3.5实验分析与结论
通过上述表格,可以得出:由弹簧悬挂的手机从相同高度掉落,所需时间比无弹簧悬挂的手机需要的时间长,即有弹簧悬挂的手机在掉落过程中,除了受重力作用外,还受另一与重力方向相反的力作用。忽略空气阻力的因素,则该力为弹簧的弹力。
因此,下挂重物的弹簧断裂后到恢复原长前,重物受到到弹力与重力两个力的作用。
3.6装置设计
基于以上实验,我们设计了如图(图2、图3)所示的实验装置。装置下方是一个铁盘,内置沙子等缓冲物,支架顶端安装电磁铁,用于控制弹簧。在无弹簧组的实验中,将用与挂手机后的弹簧长度相同的铁丝来悬挂手机,同样由电磁铁控制。将人手控制弹簧改为电磁铁控制,避免了因人手在放开过程中对弹簧、手机作用而导致的实验误差;同时将手机下落的高度固定,也避免了因下落高度不同导致的实验误差。
图2 图3
4.结束语
在牛顿第二定律的教学中,有关瞬时加速度等问题一直是一个教学难点,主要原因在于学生刚刚上高一,对很多物理现象和物理问题不能深入理解。而“弹簧和刚性绳对与之接触的作用力突变时的瞬时加速度问题”我们不能回避,长期以来一直是中学物理教学中的易错点,亦是难点,学生难以区分两者引起的加速度变化。
通过此教具便能直接地将抽象的思维问题转化为形象、直观的数据,研究手机自由落体时,利用手机加速度变化的时间差,通过计算,便能清晰直接区分两者的变化。这不仅让学生能更好地理解此知识点,更有利于老师讲解,通过演示实验,还增加了课堂的活跃性。
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