弹力的突变和非突变特性差异的实验探究

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1、弹力的突变和非突变特性差异的实验探究[摘要]本文主要利用DIS实验系统对弹簧和细线（棉、丝等）的弹力特性差异进行研究.通过对实验现象和结果的定量分析发现，弹簧和细线（棉、丝等）在发生弹性形变时的弹力特性表现出突变和非突变的特性差异。[关键词]DIS实验系统、弹力特性、突变和非突变特性差异。一、DIS实验系统简介DIS实验系统(digitalinformationsystem)又称数字信息化实验系统，主要有各种传感器（俗称探头）、数据采集器以及计算机等部件构成。DIS实验系统的主要功能是，可以方便、迅速地采集现实生活或实验室中各类物理量的信息，并通过计

2、算机接口技术，将其采集到的物理量信息传输给计算机进行多元化的分析处理。其中，DIS实验系统所具有的函数图像处理功能，能直观地揭示出相关物理量之间的关系。因而，有利于我们对研究对象进行定性和定量两个层面的探究。本实验选用的TI(TEXASINSTRUMENTS)图形计算器及其相配套的各类传感器和数据采集器，是目前常用的数字信息化实验系统中的一种。它具有体积小、携带方便、能和一般计算机兼容等特点。二、运用DIS实验系统研究弹力的突变和非突变特性在高中物理课程（特别是高中物理选修课程）中，经常会涉及到由于弹簧和细线（棉、丝等）在发生弹性形变时其弹力特性的差

3、异而引发的物理问题。也就是说，弹簧和细线（棉、丝等）的弹力，虽然在性质上是相同的，但是，当其外部条件发生变化时，它们的弹力特性却表现出迥然不同的差异。涉及到的有关习题一般用“突变弹力”和“非突变弹力”来加以描述和处理。严格地讲，这一结论学生仅能借助肤浅的、非严密的感性经验加以“被动接受”，缺乏缜密的、科学的“理论或实验证明”。这是因为，常规实验仪器难以给出一个可信的、定量的验证。数字信息化实验系统为定量验证这一传统的知识难点提供了技术上的支持。1、实验方案的设计：6根据命题要求，我们采用如图一所示的实验情景来研究弹簧和细线（棉、丝等）在发生弹性形变时

4、其弹力特性的差异。也就是说，通过改变作用在弹簧和细线（棉、丝等）上的作用力（即撤除悬挂在弹簧和细线（棉、丝等）下面的一个砝码），以此来引发其弹力的变化。与此同时，再借助DIS实验系统的力传感器与数据采集系统，将其弹力变化时的数据采集下来，最后通过对实验数据的分析完成对两者弹力特性差异的研究。图一研究弹簧和棉(丝)线弹力特性差异的实验原理图图二是运用DIS实验系统研究弹簧和棉(丝)线弹力特性差异的实验装置图。图二研究弹簧和棉(丝)线弹力特性差异的实验装置图2、实验步骤⑴探究弹簧的弹力特征。具体实验方法为：烧断图一物理情景一中的CD段细线，使弹簧下方的钩

5、码由两个减为一个。与此同时，通过力传感器采集此过程中弹簧的弹力变化数据。6为此，首先按照实验要求，连接好实验装置。连接完毕后，打开TI图形计算器，针对实验要求运行系统设置的物理应用程序(简称应图三图形计算器物理应用程序主菜单用程序)。操作界面如图三所示。根据本次实验要求，我们选择力传感器为实验用传感器，并在实验操作前(即钩码未挂上弹簧前)进行预先置零。操作界面如图四所示。图四选择实验用传感器接下来，将系统应用程序的工作状态调整到采集数据状态。并选定以“力—时间”的方式记录采集到的数据。操作界面如图五所示。图五选择实验工作状态紧接者,再进行采样时间间隔

6、（设为0.01秒）、采样个数（设为300个）和总采样时间（为3秒）等实验量的设置。操作界面如图六所示。图六设置采样参量在完成对系统的应用程序进行必要的设置后，待实验对象处于平衡稳定状态时,即可按照应用程序给出的操作提示(图七),按下图七采样操作提示及采样操作按钮界面6[ENTER]按钮,系统就进入数据采集状态。此时,若按实验要求烧断CD段细线（必须在采样时间3秒内烧断细线）,系统的应用程序即刻进行实验数据的采集,并将采集到的数据予以自动显示和储存。图八为从实验中采集到的弹簧弹力随时间变化的数据和经数据处理后获得的“力—时间”图像。图八实验获取的弹力(

7、弹簧)实验数据和图像⑵探究棉(丝)线的弹力特征。具体实验方法为：烧断图一物理情景二中的CD段细线，使棉(丝)线下方的钩码由两个减为一个。期间，通过力传感器采集此过程中棉(丝)线的弹力变化数据。该环节的实验过程和操作要求与情景一相同。此处仅显示最终的实验数据和图像（图九）。图九实验获取的弹力(棉(丝)线)实验数据和图像3、数据分析和实验结论。⑴两种实验情景的“力—时间”图像的定量比较。图十为在第一种物理情景中，CD段细线烧断后（即弹簧下方的钩码数减半后），弹簧弹力随时间变化的图像。其中1.72秒和1.82秒图十实验获取的在两个特殊时刻的弹力(弹簧)值为

8、弹簧弹力减半的两个特殊时刻。图十一6给出了在第二种物理情景中，CD细段被烧断后（即棉(丝)线下方的钩码数减半