彈力的突變和非突變特性差異的實驗探究

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1、彈力的突變和非突變特性差異的實驗探究[摘要]本文主要利用DIS實驗系統(tǒng)對彈簧和細線（棉、絲等）的彈力特性差異進行研究.通過對實驗現(xiàn)象和結果的定量分析發(fā)現(xiàn)，彈簧和細線（棉、絲等）在發(fā)生彈性形變時的彈力特性表現(xiàn)出突變和非突變的特性差異。[關鍵詞]DIS實驗系統(tǒng)、彈力特性、突變和非突變特性差異。一、DIS實驗系統(tǒng)簡介DIS實驗系統(tǒng)(digitalinformationsystem)又稱數(shù)字信息化實驗系統(tǒng)，主要有各種傳感器（俗稱探頭）、數(shù)據(jù)采集器以及計算機等部件構成。DIS實驗系統(tǒng)的主要功能是，可以方便、迅速地采集現(xiàn)實生活或實驗室中各類物理量的信息，并通過計

2、算機接口技術，將其采集到的物理量信息傳輸給計算機進行多元化的分析處理。其中，DIS實驗系統(tǒng)所具有的函數(shù)圖像處理功能，能直觀地揭示出相關物理量之間的關系。因而，有利于我們對研究對象進行定性和定量兩個層面的探究。本實驗選用的TI(TEXASINSTRUMENTS)圖形計算器及其相配套的各類傳感器和數(shù)據(jù)采集器，是目前常用的數(shù)字信息化實驗系統(tǒng)中的一種。它具有體積小、攜帶方便、能和一般計算機兼容等特點。二、運用DIS實驗系統(tǒng)研究彈力的突變和非突變特性在高中物理課程（特別是高中物理選修課程）中，經(jīng)常會涉及到由于彈簧和細線（棉、絲等）在發(fā)生彈性形變時其彈力特性的差

3、異而引發(fā)的物理問題。也就是說，彈簧和細線（棉、絲等）的彈力，雖然在性質上是相同的，但是，當其外部條件發(fā)生變化時，它們的彈力特性卻表現(xiàn)出迥然不同的差異。涉及到的有關習題一般用“突變彈力”和“非突變彈力”來加以描述和處理。嚴格地講，這一結論學生僅能借助膚淺的、非嚴密的感性經(jīng)驗加以“被動接受”，缺乏縝密的、科學的“理論或實驗證明”。這是因為，常規(guī)實驗儀器難以給出一個可信的、定量的驗證。數(shù)字信息化實驗系統(tǒng)為定量驗證這一傳統(tǒng)的知識難點提供了技術上的支持。1、實驗方案的設計：6根據(jù)命題要求，我們采用如圖一所示的實驗情景來研究彈簧和細線（棉、絲等）在發(fā)生彈性形變時

4、其彈力特性的差異。也就是說，通過改變作用在彈簧和細線（棉、絲等）上的作用力（即撤除懸掛在彈簧和細線（棉、絲等）下面的一個砝碼），以此來引發(fā)其彈力的變化。與此同時，再借助DIS實驗系統(tǒng)的力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將其彈力變化時的數(shù)據(jù)采集下來，最后通過對實驗數(shù)據(jù)的分析完成對兩者彈力特性差異的研究。圖一研究彈簧和棉(絲)線彈力特性差異的實驗原理圖圖二是運用DIS實驗系統(tǒng)研究彈簧和棉(絲)線彈力特性差異的實驗裝置圖。圖二研究彈簧和棉(絲)線彈力特性差異的實驗裝置圖2、實驗步驟⑴探究彈簧的彈力特征。具體實驗方法為：燒斷圖一物理情景一中的CD段細線，使彈簧下方的鉤

5、碼由兩個減為一個。與此同時，通過力傳感器采集此過程中彈簧的彈力變化數(shù)據(jù)。6為此，首先按照實驗要求，連接好實驗裝置。連接完畢后，打開TI圖形計算器，針對實驗要求運行系統(tǒng)設置的物理應用程序(簡稱應圖三圖形計算器物理應用程序主菜單用程序)。操作界面如圖三所示。根據(jù)本次實驗要求，我們選擇力傳感器為實驗用傳感器，并在實驗操作前(即鉤碼未掛上彈簧前)進行預先置零。操作界面如圖四所示。圖四選擇實驗用傳感器接下來，將系統(tǒng)應用程序的工作狀態(tài)調整到采集數(shù)據(jù)狀態(tài)。并選定以“力—時間”的方式記錄采集到的數(shù)據(jù)。操作界面如圖五所示。圖五選擇實驗工作狀態(tài)緊接者,再進行采樣時間間隔

6、（設為0.01秒）、采樣個數(shù)（設為300個）和總采樣時間（為3秒）等實驗量的設置。操作界面如圖六所示。圖六設置采樣參量在完成對系統(tǒng)的應用程序進行必要的設置后，待實驗對象處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)時,即可按照應用程序給出的操作提示(圖七),按下圖七采樣操作提示及采樣操作按鈕界面6[ENTER]按鈕,系統(tǒng)就進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。此時,若按實驗要求燒斷CD段細線（必須在采樣時間3秒內燒斷細線）,系統(tǒng)的應用程序即刻進行實驗數(shù)據(jù)的采集,并將采集到的數(shù)據(jù)予以自動顯示和儲存。圖八為從實驗中采集到的彈簧彈力隨時間變化的數(shù)據(jù)和經(jīng)數(shù)據(jù)處理后獲得的“力—時間”圖像。圖八實驗獲取的彈力(

7、彈簧)實驗數(shù)據(jù)和圖像⑵探究棉(絲)線的彈力特征。具體實驗方法為：燒斷圖一物理情景二中的CD段細線，使棉(絲)線下方的鉤碼由兩個減為一個。期間，通過力傳感器采集此過程中棉(絲)線的彈力變化數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)的實驗過程和操作要求與情景一相同。此處僅顯示最終的實驗數(shù)據(jù)和圖像（圖九）。圖九實驗獲取的彈力(棉(絲)線)實驗數(shù)據(jù)和圖像3、數(shù)據(jù)分析和實驗結論。⑴兩種實驗情景的“力—時間”圖像的定量比較。圖十為在第一種物理情景中，CD段細線燒斷后（即彈簧下方的鉤碼數(shù)減半后），彈簧彈力隨時間變化的圖像。其中1.72秒和1.82秒圖十實驗獲取的在兩個特殊時刻的彈力(彈簧)值為

8、彈簧彈力減半的兩個特殊時刻。圖十一6給出了在第二種物理情景中，CD細段被燒斷后（即棉(絲)線下方的鉤碼數(shù)減半