以DIS系统实验探究液体环境中的相互作用力

【摘 要】DIS实验有其独特的优势，可以测得传统实验测不出来的物理量，大大增加实验效率与数据处理的准确性，优化教学效果。用DIS实验探究液体中的作用力与反作用力，将浸入水中的物体与水之间的作用力直观展示出来，证明了液体环境中的牛顿第三定律。

【关键词】DIS实验；液体环境；相互作用力

一、DIS实验的优势

DIS就是由计算機、传感器和数据采集器组成的数字化信息系统，它能够能够即时的采集所需要的各种数据信息。与传统实验相比，DIS实验有以下优势：（1）可以大大提高数据处理的效率，并能够直观的展示出实验结果，智能化的数据处理与图像拟合可以清晰的揭示物理规律。（2）DIS实验可以弥补传统实验的不足，能够测量传统实验不易测量的物理量，例如光强、磁场等物理量传统实验室无法测量的，DIS实验可以把测量范围扩大，满足更多的教学需求。（3）可以做许多拓展性实验，在传统实验的基础上进行拓展与改进，使实验过程变得更加简洁，实验结果更加精确，培养学生的科学探究能力和创新能力。

二、利用DIS实验测量液体中的牛顿第三定律

牛顿第三定律在高中阶段内容表述很清晰，然而传统实验很难将其演示出来，改用力传感器来测量，不仅能展示出物体间作用力与反作用力的大小，而且同时能够展现相互作用力的方向和它们的变化情况。

王红梅等学者研究发现部分中学学生认为牛顿第三定律不是普遍适用的。那在一些比较复杂的环境中比如在水中，物体受到的浮力和对水的反作用力是否大小相等方向相反呢？为了研究浸入水中的物体和水之间的作用力，同时为了增强教学效果，笔者借助DIS系统来进行实验探究。

实验仪器

力传感器一只、二维力平台传感器一台、Datastudio软件、电脑一台以及水桶、玻璃杯、细线等器具。

实验过程

1.连接好力传感器、数据采集器、计算机，将二维力传感器放在水平桌面上，向塑料水桶中倒入适量水并将其放在二维力平台传感器上。将水杯用细线挂在力传感器上，悬在水桶上方（如图1）。

2.打开将Datastudio软件，将记录频率设置为10Hz，点击“启动”开始记录，静止几秒后将水杯缓慢浸入水中再缓慢提出水面（如图1），观察此过程中拉力和压力的示数变化（如图2）。

3.数据分析：图2中上半图红线代表的是二维力平台传感器所受到的压力变化情况，蓝线代表的是力传感器所受到的拉力变化情况。这里无法直接测得水与水杯之间的作用力，从传感器力的大小变化可间接计算相互作用力的大小。由图像可知，当水杯向下浸入水中时，拉力减小压力增大，很明显水杯受到水向上的浮力，而拉力传感器减小这部分拉力就等于杯子受到的水的浮力大小。同时随着水杯浸入水的体积增大，底部压力传感器受到的压力越来越大，增加的这部分压力就来源于水杯对水的作用力，方向向下。

在软件上做一个简单的运算将拉力与压力变化的大小直观显示出来，如下半图，粉色线压力传感器的变化代表杯子对水的作用力大小，紫色线拉力传感器的大小变化代表水对杯子的浮力大小，可以看到两曲线几乎完全重合，得到结论水杯浸入在水中时，虽然浸入体积不断变化，水与水杯之间的相互作用力大小始终相等。此实验向学生证明了在液体这种复杂的环境中牛顿第三定律也是成立的，物体与液体之间的作用力与反作用力大小相等、方向相反。

注意事项

1.在连接好DIS实验系统后，实验开始前要注意校准传感器的示数，不受力时示数要清零。

2.先启动软件，开始采集数据以后再将杯子浸入水中以获取完整的实验数据。

3.杯子浸入水中时尽量平缓稳定，尽量使装置保持稳定状态以减少误差。

三、总结与展望

上述实验过程新奇，现象明显，可操作性强，将DIS系统实验与自制器具相结合，以真实的数据图像展示了水中物体和水之间的作用力情况，在探究科学性问题与规律的同时增加了学习的趣味性。课本上牛顿第三定律的相关实验比较单一，教学中对牛顿第三定律大多都是一笔带过，往往要求学生记住就行，学生没有足够的感性材料就很难将规律理解透彻，本文用实验的手段探究了液体环境中物体之间的相互作用力，实验内容具有创新性，引导学生在学习物理知识的同时将物理知识运用到更广阔的范围中。

DIS实验有其独特的优势，恰当的运用DIS教学手段可以丰富教学效果，提高学生的积极性，同时我们也应注意到它并不能完全取代传统实验，学校教学中要把DIS系统实验与传统实验的优势结合起来，以更好的实现教育目的。

【参考文献】

[1]倪亚清.利用DIS系统探究加速度与力、质量的天系[J].物理教学，2016.38（11）：31-33

[2]王红梅.物理概念教学中“相异构想”的研究[J].物理与工程，2010.20（1）：46-47

【作者简介】

张鹏，男，汉族，籍贯山东淄博，出生于1992年7月，天津师范大学硕士，专业学科教学物理。