基于DIS验证合速度与分速度的定量关系

陕西省西安市经开第一中学(710018) 孙 涛

1 设计意图

在中学物理教学中，有很多学生难以理解的习题，教师反复强调、总结，学生死记硬背，教学效果甚微。其中运动的分解，就属于这类问题，学生常对该如何分解速度搞不清楚或很难正确理解。一直以来，教师在处理该问题时，常常告诉学生分解步骤：第一步确定合速度即实际速度；第二步将合速度沿绳端和垂直绳端分解。具体分解原因含糊不清，学生按部就班。教学中缺乏一定的实验帮助学生搭建思维台阶，降低学习难度。笔者借助数字化物理实验平台，自制实验教具，有效突破了这一教学难点。

2 实验背景

人用绳子通过定滑轮拉物体A，物体A穿在光滑的竖直杆上，当以速度v0匀速地拉绳使物体A到达如图1所示位置时，绳与竖直杆的夹角为θ，物体A实际运动的速度是( )。

图1 实验图示

图2 运动分析

3 自制教具

3.1 制作材料

长60cm、宽50cm的不锈钢矩形支架，长50cm的窗帘轨道2根，窗帘滑轮2个(模拟2个运动物体)，长50cm、直径2cm的PVC管2根，管卡2个，自制量角器，宽1cm的挡光片，DIS实验系统，302胶，若干细绳等。

3.2 实验装置

(1)将2根窗帘轨道、PVC管分别固定于不锈钢矩形支架上，2个滑轮置于窗帘轨道上，确保顺利滑动。

(2)管卡一侧与光电门粘结，另一侧卡于PVC管上，方便调节光电门的位置，以便获取不同位置物体的速度。

(3)光电门数据线与数据采集器连接，DIS实验系统记录并处理实验数据。

(4)实验装置示意图如图3所示，实物图如图4所示。

图3 实验装置示意图

4 实验过程

(1)打开DISLab实验软件6.9版通用软件界面。

(2)数据采集器第Ⅰ、Ⅱ通道分别与光电门1、2连接。

图4 实物图

(3)点击“计算表格”出现t1、t2，输入“变量”d，即挡光片宽度d＝0.01m，点击“公式”，自定义公式，输入v1＝d/t1、v2＝d/t2。如图5界面所示。

图5 软件界面

(4)调节实验装置，使细绳与水平方向夹角θ分别为20°、30°、40°、50°，并固定光电门的位置，手拉小车，确保小车上固定的挡光片与光电门平齐。

(5)依次点击“开始”“结束”完成实验，记录实验数据见表1。

表1 理论值对照表

(6)数据分析

将上述实验实测数据与表1理论值比较。可以看出，该实验教具所得数据较为准确，充分说明了将合速度沿绳端和垂直绳端分解的正确性和合理性。

5 实验优点

设计该实验教具，借助DIS实验其独特的技术优势，变定性分析问题为定量验证实验，实验数据精准。同时为高中物理教学特别是实验教学注入了新的活力，对培养学生“自主、合作、探究”的创新意识和科学探究素养起到了重要的促进作用。