基于DIS验证变力作用下的动量定理实验.pdf

第2 0 卷总第1 1 5 期中学理科园地实验教学基于DIS验证变力作用下的动量定理实验赵登峰（石狮市第一中学）摘要：通过DIS可以回避数学知识不足，直观地给出变力作用一段时间的冲量以及物体在此变力作用下动量的变化量，直接比较二者数值，验证了变力作用下的动量定理。关键词：DIS；变力；冲量；动量定理变力作用下动量定理依然成立并且在电磁感应单杆模型求位移中有非常重要应用,然而变力作用下的动量定理在高中阶段由于数学知识不够无法直接证明推导。采用DIS可以有效解决该问题，通过计算机专用软件可以非常直观验证变力作用下的动量定理依然成立。1实验装置点开专用软件，输人质量，挡光片厚度等数值，依次点击传感器调零，开始记录，然后用手推动小车使其先通过光电门,再与力传感器碰撞，最后返弹回再次经过光电门，软件会自动记录数据，测量结束。再点击面积值（冲量I)，选择有效区域后会自动显示冲量的大小。本次实验中，通过给小车依次增加0.0 5 0 kg金属块来改变小车质量，进行8 次实验，数据记录如图 2 中(a)(b)(c)(d)(e)()(g)(h)所示。购成*DISLab变力作用下的动量定理小车质量m=0.081kgP=mv=-0.046kgxm/sAP=P-P=0.091kg*m/sF/N面积值（冲量1)：0.0 4档光片宽度d=0.020mP=ml=0.045kgm/s0.08力传感器值：0.0 1 N开始记录）停止记菜）画值（冲塑传感调）朗成DISLab爽力作用下的动量定理小车质量m=0.131kgP=mv=-0.091kg*m/sAP=P-P=0.180kgm/s图1面积值（冲量1）：港1 8 3如图1，有力传感器、光电门传感器、多用力学轨道及附件，安装实验装置，进入专用软件。2实验原理在软件界面中输人小车质量以及挡光片厚度数值，推动小车通过光电门传感器后，软件会计算出通过光电门的瞬时速度以及此时的动量，此后小车上弹簧与力传感器测钩碰撞，软件会记录力随时间的变化关系，然后小车返回再次经过光电门，软件会再次计算出通过光电门的瞬时速度，还有此时的动量。软件会自动计算动量的变化量，通过选择有效0.10(a)档光片宽度d=0.020mp=mvl=0.089kg*m/s.020.04力传感器值：-0.0 0 N开始记录）停止记录）面积值（冲重）传带器调等）朗做DISLab变力作用下的动量定理小车质量m=0.181kgP=mv=-0.098kg*m/sPF/N0.120.0%0.10(b)AP=P-P=0.194kg*m/s0.140.120.14档光片宽度d=0.020mP=mvl=0.096kg*m/s0.160.16O.10.180.200.200.220.22区域后，计算机会自动计算面积也就是变化的力的冲量。这样就可直接比较动量变化量与变化的力的冲量在数值上是否相等。3实验过程及数据分析在小车上安装宽度为0.0 2 m的挡光片，在小车前端安装弹簧圈，用电子称测出其质量0.0 8 1 kg，将其放置于轨道上，面积值（冲量1)：0.1 95力传感器值：-0.0 0 N开始记菜）停止记录）面积值（冲重）传惠器调0.12(c)0.140.160.1#020822石狮市基础教育教学改革专项课题：基于科学思维培养的高中物理情境化教学案例研究(SJGZX2022-11)研究成果67第2 0 卷总第1 1 5 期朗减DISLab变力作用下的动量定理小车质量m=0.231kgP=m=-0.145kgxm/sAP=P-P=0.286kgm/sF/N中学理科园地朗成*DISLab变力作用下的动量定理挡光片宽度d=0.020m小车质量m=0.431kgP=my=0.141kgxm/sPF/N实验教学档光片宽度d=0.020mP=mv=-0.250kgm/sp=ml=0.245kgxm/sAP=Pl-P=0.495kg*m/s面积值（冲量1）：0.2 8 61.02力传感器值：0.0 0 N开始记录）停止记录）积值（冲重传部请车）朗威DISLabh变力作用下的动量定理小车质量m=0.281kgPP=mV=-0.165kgm/sPNt面积值（冲量1）：0.3 2 50.020.04力传感器值：0.00N开始记菜）停止记菜）面积值（冲量传惠器请多）明威DISLab变力作用下的动量定理小车质量m=0.331kgPP=mv=-0.149kg*m/sF/N面积值（冲量1）：0.2 940.020.04力传感器值：-0.0 0 N并始记来）停止记录）面粉值（冲重）传您馨调）期成DISLab变力作用下的动量定理小车质量m=0.381kgPP=mv=-0.212kgm/sFN面积值（冲量1）：0 4 1 80.020.04力传感器值：-0.0 0 N开始记录）停止记菜）面积值（冲型传娜解调等）面积值（冲量1)：0.90.040.060.060.06AP=P-P=0.418kg*m/s0.080.10(g)0.05AP=Pl-P=0.326kgxm/s0.0.10(e)AP=P-P=0.294kgm/s0.080.10(f)0.120.10(d).20.14档光片宽度d=0.020mP=mv=0.145kg*m/s0.120.16档光片宽度d=0.020mp=mv*=0.206kg*m/s.40.160.12挡光片宽度d=0.020mP=m=0.161 kgxm/s0.160.150.180.140.160.18020200.22人速画0.22回0.02力传感器值：-0.0 0 N开始记采）停止记录面积值（冲型传惠踩调将图2 中的8 组实验数据列成表格并加以处理后如表1。表1 实验数据及处理结果实验小车质量动量变化量面积值（冲1Ap-11L4p-1x100%序数m/kgAp/(kgm/s)10.08120.13130.18140.23150.28160.33170.38180.431由表格数据可以得出，随着小车质量增加，相对误差越来越小，除1、2 组相对误差较大外，其他组实验相对误差均在0.5%以内，有力地证明了在误差允许的范围内，变力作用下动量定理同样成立。4实验小结利用DIS有力地证明了变力作用下动量定理依然成立，通过整个实验过程，可以让学生对动量定理的理解更加深刻。同时，该实验中有用到图像面积对应力的冲量，通过该实验过程可以训练学生的科学思维，有利于学生去解决日常生活情境中一些变力作用下的物理问题。参考文献：1李元法.运用动量定理妙解电磁感应中的单杆问题 物理之友,2 0 1 7,3 3(5):3 5-3 7.8.040.0910.1800.1940.2860.3260.2940.4180.4950.060.0810(h)图2量I/Ns0.0940.0030.1830.0030.1950.0010.2860.0000.3250.0010.2940.0000.4180.0000.4940.001.40.168.20Ap3.3%1.7%0.5%0%0.3%0%0%0.2%68