传感器研究“细线会不会被拉断”＊

谢紫娟 邱胤发

（1.玉林师范学院，广西 玉林 537000；2.贺州市平桂管理区教育局，广西 贺州 542601）

动量定理是力学中一个重点内容，而关于动量定理的理解和具体的应用是学生学习的难点.文中运用力传感器对课本中“做一做——细线会不会被拉断”进行了实验，成功地突破了重点和难点，力传感器实时记录了实验过程中力的变化情况，使学生全面地了解真实的物理过程，理解掌握动量定理，在实际教学中取得了较好的效果.

1 实验设计

实验设备有数字化实验系统（DIS）包括计算机、数字采集器、力传感器（－20～20N）、软件、细线、普通橡皮筋和重物（100g）等.如图1所示为用传感器研究“细线会不会被拉断”的实验示意图和实物图.

（1）将计算机和数据采集器用数据线把连接起来，然后将力传感器固定在铁架台上，重物分别用细线和细线上端拴一段橡皮筋悬挂在力传感器上，力传感器与数据采集通道相连接，并启动数字化实验室系统软件，如图1所示.

图1

（2）打开数字化实验室系统软件菜单，设置数据采集取样点时间间隔为0.5ms.为了实时动态记录和观察重物从同样的高度释放细线受力的情况，将显示模式换成波形模式，同时打开和数据记录功能.

（3）点击开始采集数据按钮，绘制“时间－力”曲线，通过“图形控制”功能，扩大纵、横坐标，“时间－力”曲线显示如图2和图3所示.

____图2为重物用细线悬挂在力传感器上的情况，A为细线开始受力点（传感器没有校正），B为细线受力最大即拉断点.由A点到B点经历了0.0199s，细线承受的最大拉力即拉断时为7.7568N.B点后的图线为细线拉断后，传感器震动情况，直到平衡.

图2

在图3中，重物用细线上端拴一段橡皮筋悬挂在力传感器上的情况.可以看出，橡皮筋在瞬时外力作用力下的形变并不是简单地满足胡克定律，而是存在更为复杂的滞后现象.C为开始受力点，D为细线上端拴一段橡皮筋受力最大点没有被拉断，由C点到D点所经历的时间为0.0512s，是A点到B点所经历时间的2.57倍，端拴一段橡皮筋的细线承受的最大拉力为5.9052N，与细线承受的最大拉力7.7568N相比，减小了1.8516N，端拴一段橡皮筋的细线不会被拉断.

在相同高度和相同重物下，重物分别用细线和细线上端拴一段橡皮筋自由下落.当细线开始承受拉力时，它们的动量变化量相同.根据动量定理，重物分别对细线和上端拴一段橡皮筋的细线冲量也相等，而A点到B点经历了0.0199s，C点到D点所经历的时间为0.0512s，细线上平均拉力是上端拴一段橡皮筋的细线上平均拉力的2.57倍.显然，上端拴一段橡皮筋的细线不易拉断，橡皮筋起到缓冲器的作用.

图3

2 实验总结

“DIS实验系统”是运用现代信息技术手段进行实验的简称，比传统实验具有简单操作、灵敏度高、实时记录、数据处理快、效率高的优点.将传感器技术与传统实验装置结合，不仅解决了有关动量定理的问题，而且完美地记录了作用过程中瞬时力的变化情况，使学生全面地了解真实的物理过程，理解掌握缓冲原理.“DIS实验系统”能紧扣实验原理，还能使传统物理实验得到补充、扩展和创新，在实验课中和课后为学生准备多种有趣的创新实验和探究活动，能激发学生们学习物理的兴趣、指导学生获取知识和应用知识，培养学生创新能力.

1 李渝翔，刘艳春.用DIS进行橡皮筋滞后现象的实验研究［J］.物理教学探讨，2006（13）：58－59.

2 唐利芳，陈娜娜等.拉伸方式对橡皮筋的弹力与伸长关系的影响［J］.物理教师，2013（4）：43－44.