鄭少燕，林淑淇，李德安，王笑君

（華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

1 引 言

加速度是貫穿高中物理的重要物理概念，而傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)只能通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器或光電門來實(shí)現(xiàn)對勻加速度的間接測量，既無法實(shí)現(xiàn)對加速度的直接和瞬間測量，也無法實(shí)現(xiàn)對變加速度的連續(xù)測量與觀察，使得剛接觸該概念的學(xué)生無法直觀感知加速度，造成許多學(xué)生感到加速度既抽象又易混淆，降低了初學(xué)者的學(xué)習(xí)興趣.

本文利用美國PASCO公司2007年生產(chǎn)的可脫機(jī)使用的Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器［1］、高性能的三維加速度傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器及二維力平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對瞬間速度、加速度的連續(xù)測量，并使用Science Workshop高功能的數(shù)據(jù)處理軟件Datastudio，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測量與處理，完成了對加速度與速度關(guān)系的探究，以及對生活中加速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，使學(xué)生對加速度概念有了感性認(rèn)識(shí)，形成了鮮明的表象［2］，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)及探究的興趣與信心.

2 PASCO系統(tǒng)簡介

PASCO系統(tǒng)是采用傳感器和數(shù)據(jù)采集器接口，通過Datastudio操作平臺(tái)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［1，3］.利用 Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器［4-5］進(jìn)行多種戶內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，在數(shù)據(jù)采集器的顯示屏或電腦上同步看到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 探究加速度與速度的關(guān)系

如圖1所示，將三維加速度傳感器與Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器連接，將數(shù)據(jù)采集器安裝于小車上，并與電腦連接.將小車置于一軌道上，軌道前半部分為斜面，后半部分為水平面.按下啟動(dòng)按鈕，待數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定后，在軌道斜面上無初速地釋放小車，在電腦上可同時(shí)得到加速度與速度的變化曲線（如圖2～3所示）.

圖1 探究速度與加速度關(guān)系裝置圖

圖2 小車a-t曲線

圖3 小車v-t曲線

通過對圖2～3的分析得：在a-t曲線中的AB段，加速度的大小變化是不穩(wěn)定的，有時(shí)增大有時(shí)減小，但在同時(shí)測得的v-t曲線中，同一時(shí)間段內(nèi)，速度的大小一直在增加，即可說明，當(dāng)加速度的大小減小時(shí)，速度的大小可以是增加的.同理，在B-C段，加速度的大小變化是先增大后減小的，但在v-t曲線中，速度的大小是一直在減小的，即說明了當(dāng)加速度的大小增加時(shí)，速度的大小不一定也是增加的.

3.2 體驗(yàn)加速度

3.2.1 測量電梯的加速度，感受超、失重現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.將GLX與二維力平臺(tái)、三維加速度兩傳感器相連，將實(shí)驗(yàn)裝置平放于在電梯中，按下數(shù)據(jù)采集器的數(shù)字表功能，調(diào)節(jié)二維力平臺(tái)低端的調(diào)平旋鈕，使其切向力的數(shù)值顯示為0，讓1位學(xué)生在力平臺(tái)上站好，按下GLX的采集啟動(dòng)按鈕，便可直接在GLX同時(shí)觀察到力平臺(tái)所受法向力的大小和電梯的加速度.

圖4 體驗(yàn)電梯加速度實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)完畢后還可將數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤，并輸入電腦中，用數(shù)據(jù)處理軟件Datastudio做進(jìn)一步分析.實(shí)驗(yàn)曲線見圖5～6.

圖5 電梯的a-t曲線

圖6 電梯的F-t曲線

1）從圖5中的可以看出，電梯下降時(shí)分為4個(gè)階段：AB段加速度大小逐漸增加的變加速下降，BC段的勻減速下降，CD段加速度大小逐漸減小的變加速下降，DE段的勻速下降，相應(yīng)地，電梯的上升也分為4個(gè)階段.由此，可以看到，電梯并非做規(guī)則的勻加速上升或勻加速下降，教材中對電梯的處理只是一種簡化的理想狀態(tài).

2）比較圖5和圖6可知：當(dāng)電梯的加速度a為正值時(shí)（包括加速上升和減速下降），此時(shí)在電梯中的人的視重均大于實(shí)重（實(shí)驗(yàn)人員的實(shí)重：40.5kg×9.78N／kg＝396.09N），即處于超重狀態(tài)；當(dāng)加速度a為0時(shí)（包括勻速上升、勻速下降和靜止），此時(shí)其視重等于實(shí)重；當(dāng)加速度a為負(fù)值時(shí)（包括加速下降和減速上升），此時(shí)其視重均小于實(shí)重，即處于失重狀態(tài).從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可以看到在56s時(shí)，電梯的加速度達(dá)到負(fù)值最大，為-0.9m／s2，此時(shí)視重達(dá)到最小，為356.415 4N.

3）將圖5和圖6進(jìn)行比較，可以看到：加速度和法向力圖像的走勢、變化是一一對應(yīng)的.運(yùn)用Datastudio軟件進(jìn)行分析，得到圖7所示的電梯的F-a曲線.

由圖7可以直觀看到：F和a成線性關(guān)系.斜率反映的是測試員的質(zhì)量；截距反映的是測試員的實(shí)重.

圖7 電梯的F-a曲線

3.2.2 測量公交車在行駛過程中加速度的變化

將連接三維加速度傳感器的GLX水平固定于公共汽車的座椅上，使三維加速度傳感器的Y正方向指向公共汽車的行駛方向，X正方向指向公交車汽車的左邊，Z正方向豎直向上.按下GLX的啟動(dòng)按鈕即可測量.

通過對圖8進(jìn)行分析，結(jié)合向心力的理論知識(shí)，得到公交車行駛過程中的拐彎情況.

圖8 公交車行駛過程中加速度的變化

4 結(jié)束語

高功能的數(shù)據(jù)處理軟件Datastudio實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄與處理，節(jié)約了手工作圖和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，減小了人為錯(cuò)誤，為學(xué)生深入思考、探討物理本質(zhì)提供高效優(yōu)質(zhì)的信息.充分利用Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器可脫機(jī)使用的強(qiáng)大功能，增加戶外探究性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在生活中學(xué)習(xí)物理，同時(shí)將物理運(yùn)用于生活中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究性學(xué)習(xí)的能力.

［1］美國PASCO公司.“科學(xué)工作室”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［EB／OL］.http：／／www.pasco.com／.

［2］賴?yán)蝻w，王笑君.數(shù)據(jù)采集器運(yùn)用于物理探究性學(xué)習(xí)的探討［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003，23（7）：32-33.

［3］賴?yán)蝻w，秦艷芬.數(shù)據(jù)采集器在數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的應(yīng)用與研究［J］.寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，23（3）：104-107.

［4］賴?yán)蝻w，王笑君.自感現(xiàn)象的定量研究［J］.大學(xué)物理，2005，24（3）：51-53.

［5］賴?yán)蝻w.數(shù)據(jù)采集器運(yùn)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的研究［D］.廣州：華南師范大學(xué)，2004.

［6］張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理（必修）［M］.北京：人民教育出版社，2006.

［7］保宗悌，布正朋，王笑君，等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書·物理（必修一）［M］.廣州：廣東教育出版社，2005.

［8］張大昌.關(guān)于高中物理教學(xué)大綱（試驗(yàn)修訂版）的幾個(gè)問題［J］.學(xué)科教育，2000（7）：1-3，19.

［9］張偉，張偉，蔡穎標(biāo).基于PASCO平臺(tái)的法拉第磁光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（7）：32-36.