基于PASCO平台的物理动力学实验的开发与研究

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基于PASCO平台的物理动力学实验的开发与研究 1 引言

1.1研究背景与意义

物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。物理科学作为自然科学的重要分支，不仅对物质文明的进步和人类对自然界认识的深化起了重要的推动作用，而且对人类的思维发展也产生了重要影响。物理学是一门以实验为基础的自然学科，它教导学生主动参与交流、合作、探究等多种学习活动，物理学的实验基础、理论体系和研究方法，是科学技术的基础，在新的科技领域中开拓探索，实验是有力手段，科学技术发展的历史和现实告诉我们，很多科学技术的重大发明和发展，如无线电、激光、超导技术、生物工程等都是在实验中首先获得突破的，许多诺贝尔奖获得者也是在从事实验研究的过程中获得重大发现的[1]。物理实验对促进科学技术的发展、社会的进步有深远的影响。实验教学是符合人的认识规律的科学实践活动，它能激发学生的求知欲望，启迪学生的科学思维，培养学生获取知识和运用知识的能力；物理实验室具有很强的探索性和创造性的实践活动；物理实验能培养学生的各种能力并形成良好的科学素养；物理实验能使学生的认知结构得到改善。所以，更新实验设备引进先进的实验仪器，开发新的实验，切实发挥实验在教育中的作用是十分重要的。

传统的物理实验在物理教学中有着不可替代的作用。但是，物理教学快速发展的今天，传统的物理实验也突出它不足的一面，如实验过程比较繁琐、实验数据处理复杂，一些可见度小和暂态过程很难被显示或测量，与多媒体教学结合困难等等[2]。然而由美国PASCO公司生产的PASCO设备则可以大大弥补上述不足，它可以使物理实验更直观、更简单、与多媒体教学结合，这些正符合近年来国内教学改革大力提倡计算机辅助教学的要求。

1.2 研究内容及方法

本研究主要着眼于目前中学物理实验教学存在的问题，以美国PASCO公司的实验设备为平台，试图对中学物理动力学实验中的牛顿第二定律，动量守恒定律，动量定理三个实验进行开发和研究。

本研究主要采用实验法对中学物理动力学实验中的牛顿第二定律，动量守恒定律，动量定理三个实验进行开发和研究，对比传统物理实验的处理方法，说明PASCO平台的使用使得这些实验的直观性和精确度有所提高。

2 传统实验和基于PASCO平台实验的比较

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2.1 传统物理实验的特点

传统物理实验即在以验证性实验为主的教学体系中利用生活中常见的物品和近代物理学中的经典仪器，演示物理现象，验证物理原理，发现物理规律，并辅以理论讲授和学生的大量练习相结合，来强调对基础知识的传承和基本技能的训练。

传统物理实验的教学价值在于它把物理学科的一些既成事实的原理、概念、定律、性质等传给了学生，并验证其准确无误，促使学生掌握这些知识并形成运用这些知识的能力。物理教学实验可分成两种基本形式：一种是演示性实验；一种是学生分组实验。前者定位于培养观察能力，教师做、学生看，教师讲、学生听，体现了以教师为中心的传统物理教学模式。后者着眼于培养操作技能和验证物理原理，虽然是学生动手，但实验目的、仪器准备、操作步骤、实验报告全部由教师预先设计好，学生仅仅是熟悉仪器，进行连接，然后按步骤进行操作、观察、记录和分析实验数据、得到结果。

[3]

2.2 基于PASCO平台物理实验的特点

PASCO平台即利用先进的传感技术以及先进的数据采集技术，将来自传感器的数据信号输入计算机，可实时采集实验中各种变化量数据，使实验操作简便、更准确、更有效率的一个平台，是由美国PASCO公司设计的教师所需要的实验设备。美国PASCO公司是专业教学仪器生产商，所生产的实验仪器主要适用于中学理科探究实验及大学低年级的基础物理和自主开放演示实验。这些先进的教学仪器已被世界上很多国家的学校广泛选用，用户遍布欧洲、亚洲、南北美洲。在美国市场占有率达百分之七十左右，几乎百分之五十的大学和超过两万所中学使用PASCO仪器，在香港几乎所有的中学和大学都采用PASCO公司的产品。目前，中国大陆已有众多学校选用了PASCO产品，例如北京大学、华中科技大学、上海交通大学、同济大学、上海大学、浙江大学等高等学院以及北京、上海、南京、浙江等不少中学[4]。

2.2.1 PASCO实验设备的特点[5]

PASCO教学仪器不同于传统教学仪器，该产品具有如下特点： 1.产品涵盖力、热、波、磁、原子、化学、生物、地理等；

2.组合式实验附件，其实验仪器可自行搭配、组装各种实验装置，学生可以自己组合不同的实验，独立进行基础物理实验学习与研究，培养学生的动手能力及创造性；

3.60多种传感器，利用先进的传感技术，可实时采集上述各类物理量的数

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据；

4.先进的数据采集接口，可将来自传感器的数据信号输入电脑进行实时的处理及显示，采样频率最高可达每秒二十五万次；

5.先进的中文及英文的应用软件，软件内还包括一定数量的已预设的物理实验。

2.2.2 基于PASCO平台物理实验的优点

基于PASCO平台物理实验的优点主要有：

1.实验设置的时间更少，实验效率更高，实验耗材明显减少； 2.传感器的运用，可使教师、学生轻松捕捉到一些瞬间变化的量； 3.软件的自动识别与菜单式操作，使教师和学生在使用过程中易于掌握、便于操作；

4.配套的实验教材，更方便教师、学生的使用。

通过PASCO实验的训练，学生将能够在以下几个方面得到全面的培养： 1.创新思维能力。PASCO实验包含大量不同的传感器，对实验的设计也是多样化的，它不像传统实验只能按固定的模式进行操作 ，我们可以根据PASCO实验把不同的传感器组合，创造性的设计不同的实验方法，在这个思维训练的过程中，学生的创新思维能力得到发展；

2.知识获取能力。PASCO实验强调学生在实验过程中自主的获取知识，当学生遇到问题，可以通过图书馆、网络或教师专家进行解答,经过动手操作提出问题，到解决问题，再在实验中加以验证，是学生的知识获取能力得到加强； 3.实践操作能力。一方面，PASCO实验锻炼了学生对传感器的操作能力，另一方面，PASCO的实验结果，通常要处理数据，这就需要学生有良好的计算机软件操作能力，而实验本身并不是为学软件而学软件，而是为实验而用软件，所以学生会有更强的自主性，积极参与到这项操作能力培养的活动中；

4.团队合作能力。实践证明好的团队合作使团队的多数人成功，PASCO实验同时具备传感器操作和电脑操作，一个人不易完成，通常以两到三人一组，在此过程中培养学生的团队合作意识和能力。

2.3 两者的特点对比及各自优势

传统实验中所用到的设备，绝大多数是以十八、十九世纪的物理学知识作为理论支撑，其使用寿命长，可利用生活道具，贴近生活，让学生更有熟悉感，更能从中找出问题，从而激发学习的兴趣，设备价格便宜，维修方便，但是，实验设备跟不上时代的发展，每做一个实验必须由多种仪器组合使用，实验过程比较繁琐，一些可见度小和暂态过程很难被显示或测量，与多媒体教学结合困难，实

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验进程缓慢，精度不高，且要由人工进行大量的计算来分析处理实验信息；PASCO设备操作灵活、简便、能快速、准确、且实时动态地采集实验信息，并实现数字化显示，由计算机辅助进行分析处理，是学生摆脱了繁琐的计算过程，使得学生能够较容易发现或验证各物理量间的数学关系，但是，设备使用寿命短，更新快，初次采购费用大，维护成本高，削弱了对学生的观察能力，动手能力，计算能力的培养，由于PASCO 设备比较现代，因而对重现当年物理学家对物理规律的发现过程有所忽略。

3 基于PASCO平台的物理动力学实验的设计

3.1牛顿第二定律的实验设计

牛顿第二定律是高中物理课的重点、难点内容之一，是动力学的核心规律，是学习其他动力学规律的基础，也是牛顿力学的精华，它阐明了物体的加速度跟力和质量的定量关系，是在实验基础上建立起来的重要规律，在理论和实际问题中都有广泛的应用。在学习中通过实验方法，总结出该定律的有关结论是很有必要的，实验的成功与失败是正确掌握好该定律的关键。

3.1.1 实验目的

（1）经历探究加速度与力和质量的关系的过程； （2）感悟控制变量法、图像法等科学研究方法的应用； （3）体验探究物理规律的乐趣；

（4）培养观察能力、质疑能力、分析解决问题的能力和交流合作能力。

3.1.2 传统的实验设计[6]

常见的验证“牛顿第二定律”的实验方法有三种：

（1）小车纸带打点法，实验装置如图3-1所示，此方法误差比较小，但是纸带上的点很小，可视性差，且实验数据处理繁琐；

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图3-1 用打点计时器验证“牛顿第二定律”的实验装置图

（2）滑块气垫导轨法，实验装置如图3-2所示，此方法误差小且稳定，但是装置复杂，调整费时，数据处理繁琐；

图3-2 用气垫导轨验证“牛顿第二定律”的实验装置图

（3）双车位移比较法，实验装置简图如图3-3所示，此方法操作简单，容易确定位移比，但是由于两辆小车在同一平面上运动，造成学生观察时可见度不大，并且用夹子控制小车的运动与停止不够灵敏，造成误差大，不稳定。

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图3-3 用双车位移比较法验证“牛顿第二定律”的实验装置简图

3.1.3 基于PASCO平台的实验设计

此实验设计采取控制变量的方法，即先保证物体的质量不变，改变力的大小，验证加速度与力的关系，然后再保证力的大小不变，改变物体的质量，验证加速度与质量的关系。调节轨道平衡掉小车与轨道的摩擦力，作用在小车上的拉力即可认为是小车的合外力。

先将运动传感器接到科学工作室750型接口，打开软件“Data Studio”， 将轨道放置在水平桌面上，轨道一端放置在桌子边缘，将运动传感器安置在轨道的另一端，将运动传感器顶部的调节开关拨到“小车”位置，将小车放在轨道上，将安置有运动传感器的一端稍微调高一点，使小车能在轨道上做匀速直线运动即可（将小车放在稍高的一端，点击“启动”按钮，如果速度是一条平行于时间轴的直线，或者加速度与时间轴重合，则说明小车在轨道上做匀速直线运动）。将力传感器接到科学工作室750型接口上，用它测出小车的质量记为M。将滑轮固定在轨道稍低的一端，将细线一端绑在小车上，将砝码绑在细线的另一端，并记录下砝码的质量m跨过滑轮，调节滑轮的位置及高度使细线与轨道平行。用手将小车轻轻按在距轨道较高一端15厘米处，点击“启动”按钮，松开手使小车在砝码的拉力下沿轨道做匀加速直线运动，点击“停止”按钮，即可得到实验曲线。改变细线上砝码的质量，重复上述步骤，保持细线上砝码质量不变，在小车上放上砝码，并记录下小车总质量，改变小车上砝码的质量，重复上述步骤。由实验曲线可得数据表格，如表3-1。

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表3-1 基于PASCO平台的牛顿第二定律的实验数据表格

小车及小车上细线上砝码质量M（g） 拉力F（N）（F=Mg） 加速度a(m/s2) 砝码质量m(g） 500 500 500 700 900 1380

20 50 100 50 50 50

0.2 0.5 1.0 0.5 0.5 0.5

0.4 1.0 1.9 0.7 0.5 0.4

图3-4 m=500g，F=0.2N的加速度实验曲线

图3-5 m=500g，F=0.5N的加速度实验曲线

图3-6 m=500g，F=1N的加速度实验曲线

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图3-7 m=700g，F=0.5N的加速度实验曲线

图3-8 m=900g，F=0.5N的加速度实验曲线

图3-9 m=1380g，F=0.5N的加速度实验曲线

3.1.4 实验结论

由实验数据及数据分析可得加速度a与合外力F成正比，与质量m成反比。

3.2 动量守恒定律(等质量的非弹性碰撞)的实验设计

动量守恒定律是自然界普遍适用的基本规律之一，研究动量守恒定律的实验也是一个非常重要而又有一定难度的演示实验和学生实验。

3.2.1实验目的

验证一维碰撞中的动量守恒。

3.2.2 传统的实验设计

常用的验证动量守恒定律的方法有以下四种：

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（1）用气垫导轨和光电计时器完成实验，实验装置如图3-10所示，图中A、B是光电计时器，此方法误差小且稳定，但是装置复杂，调整费时，数据处理繁；

图3-10用气垫导轨和光电计时器验证动量守恒的实验装置

（2）用斜槽和平抛运动完成实验，实验装置如图3-11所示，此方法可避免

速度的测量，但是斜槽装置不稳易滑动，不能确保入射小球从同一高度滚下及碰撞后两小球做平抛运动，用圆规找落点误差大，精度低，耗时长[7]；

图3-11用斜槽和平抛运动验证动量守恒的实验装置

（3）用光滑长木板及打点计时器完成实验，实验装置如图3-12所示，此方

法中打点计时器的操作和实验数据较为烦杂，工作量较大；

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图3-12用光滑长木板及打点计时器验证动量守恒的实验装置

（4）用单摆装置完成实验，实验装置如图3-13所示，此方法造成的系统误差比较大，因为在两个摆球碰撞难以保证两球实现严格意义上的对心碰撞，即正碰。

图3-13用单摆装置验证动量守恒的实验装置

3.2.3 基于PASCO平台的实验设计[8]

本实验以等质量的一维非弹性碰撞为例，两辆小车同向而行，后一小车追赶上前一小车发生碰撞并粘在一起以同一速度运动。

先将两个运动传感器连接到动力学轨道两端的插入式接口槽上，将两个传感器通过传感器接口与科学工作室750型接口装置相连，再将科学工作室750型接口装置与计算机USB接口连接，将一辆动力学小车的车轮放置在轨道线内，如果在无外力作用的情况下小车静止不动，则换到轨道上的另一端重新再测一次，若还是静止则完成轨道调平。

打开科学工作室的开关，再打开计算机上安装的Data Studio软件，连接两个运动传感器的通道，并设置好采样频率，在主界面调出速度-时间通道的曲线，就可以开始实验了。

按下Data Studio 软件界面左上角的启动键，把两辆小车都放在轨道的右端，并让小车末端的尼龙部分相对，这样两辆小车碰撞后会粘在一起，先轻轻推

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动左边的小车，然后再推动右边的小车（速度要比左边小车的大），使它们都向左运动，碰撞后点击“停止”。即可得到实验曲线。用不同力度推动小车重复步骤上述步骤。由实验曲线可得实验数据表格，如表3-2，规定向左为正方向，由于运动传感器采集到的矢量数据是靠近传感器时为负远离时为正，所以采集到的数据有正有负，但是计算时皆是向左为正，向右为负。

表3-2 验证动量守恒定律的实验数据表格

v1（m/s）

v2(m/s)

vafter(m/s)

0 0.38

0.73 0.87

0.36 0.62

第一次碰撞中： v1?v2?0?0.73?0.73 2vafter?2*0.36?0.72 第二次碰撞中： v1?v2?0.38?0.87?1.25 2vafter?2*0.62?1.24 在误差允许的范围内有v1?v2?2vafter，mv1?mv2?2mvafter，即动量守恒。

图3-14 第一次碰撞前两小车的速度

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图3-15 第一次碰撞后两小车的速度

图3-16 第二次碰撞前两小车的速度

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图3-17 第二次碰撞后两小车的速度

3.2.4 实验结论

经过实验测量和计算不难看出在等质量的一维非弹性碰撞过程中遵循动量守恒定律。

3.3动量定理的实验设计

动量定理是高中物理课程的重要基础知识,对学生扩展牛顿定律的认识、学习动量守恒定律、研究有关碰撞和打击等问题,起着十分重要的作用。

3.3.1实验目的

高中物理课本介绍动量定理时，多从牛顿第二定律引入[9]，教学实践表明,学生不是很容易掌握这个问题,往往模糊不清。所以我们需要通过实验来帮助学生真正理解动量定理。

3.3.2 传统的实验设计[10]

传统教学一般通过以下两个实验来定性说明：

(1)用鸡蛋为道具，将两只鸡蛋从同一高度同时释放，并分别落到桌面和海绵上，结果桌面上的鸡蛋打碎了，而落在海绵上的鸡蛋却安然无恙，说明在海绵上的鸡蛋受力小，作用时间长，落在桌面上的鸡蛋受力大，作用时间短，从鸡蛋的破碎固然可以比较两个鸡蛋受力的大小，但仅凭人的直观感觉判断落在海绵上

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的鸡蛋碰撞作用的时间长，有点牵强。

（2）通过如图3-18所示装置，把质量相同的小球分别用细线和橡皮筋连接，挂在铁架台上，同时从同一高度释放静止的两个小球，结果细线断了，而橡皮筋没断，说明用橡皮筋连接的小球作用时间长，受力小，而用细线连接的小球作用时间短，受力大，该实验虽然能比较时间的长短，但不能定量说明力的大小，用此实验验证力和时间的关系仍然缺乏足够的说服力。

图3-18传统教学验证动量定理的实验装置

3.3.3 基于PASCO平台的实验设计

将运动传感器接到科学工作室750型接口，打开软件“Data Studio”，设置好采样频率，在主界面调出力-时间通道、速度-时间通道的曲线，将力传感器自身数据清零，将轨道放置在水平桌面上，轨道一端放置在桌子边缘，将运动传感器安置在轨道的另一端，将运动传感器顶部的调节开关拨到“小车”位置，将小车放在轨道上，将安置有运动传感器的一端稍微调高一点，使小车能在轨道上做匀速直线运动即可（将小车放在稍高的一端，点击“启动”按钮，如果速度是一条平行于时间轴的直线，或者加速度与时间轴重合，则说明小车在轨道上做匀速直线运动）。将力传感器接到科学工作室750型接口上，用它测出小车的质量记为M。将滑轮固定在轨道稍低的一端，将细线一端绑在小车上，将砝码绑在细线的另一端，并记录下砝码的质量m跨过滑轮，调节滑轮的位置及高度使细线与轨道平行。用手将小车轻轻按在距轨道较高一端15厘米处，点击“启动”按钮，松开手使小车在砝码的拉力下沿轨道做匀加速直线运动。然后点击“停止”按钮，即可得到实验曲线,在曲线上选取两个点并读出时间t和速度v。由实验曲线及其读数可得实验数据表格，如表3-3。

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表3-3 验证动量定理的实验数据表格

F(F=mg)/N 0.5

t1/s

t2/s

M/kg v1/m/s

0.28

v2/m/s 0.57

F*(t2-t1) M*(v2-v1) 0.1596

0.145

4.5187 4.8379 0.5

图3-19 验证动量定理的实验曲线

图3-20 验证动量定理的实验曲线

3.3.4 实验结论

通过上述计算分析，不难看出冲量与动量的变化量在实验误差范围内相等，动量定理得证。

4 结论

本文通过对比传统实验做法与基于PASCO平台实验的做法，可得出基于PASCO平台实验具有以下几个优点：1.实验精确度高、数据准确、误差小；2.实验中省去了繁琐的手工记录、画图，大大减少了实验时间，提高了实验效率；3.可进行动态、实时、连续的数据采集，对整个实验过程全程监控。

在本研究中尤其是实验部分也存在着许多局限性，比如由于学校软件的功能不全，缺少有关数据处理的功能，所以在这方面缺少开发；由于国内对于基于PASCO平台的研究还不全面，参照文章较少，查询国外的资料，由于条件的限制，获取很少，所以只能凭着自己的规划去设计，未免不周全，也难免出现一些问题。 总之，PASCO实验设备不同于传统实验仪器，它在物理教学特别是实验教学

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中有相当多的优势，希望国内的相关技术指标能上个台阶，装置配件能越来越完善。对于如何开发PASCO的新实验，并把它应用在物理教学中是值得我们今后进一步研究的。

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参考文献：

[1]赖莉飞.数据采集器运用于中学物理实验的研究[G].中国知网,2004.

[2]余剑敏,张远福,钟健松.应用数据采集器进行物理实验[J].九江学院学报,2007,（12）：48.

[3]丁玲.高中物理教学中的传统实验和数字化实验优化整合的实践研究[G].中国知网,2008.

[4]邹莎莎.基于PASCO实验的中学物理双语教学研究[G].中国知网,2009. [5]兆雪.浅谈PASCO设备的管理[J].延安职业技术学院学报,2010,24（5）：66-67. [6]何海明.对牛顿第二定律演示实验的改进[J].物理教师,2003,24（6）：32.

[7]刘慧.验证动量守恒定律实验要点及分析[J].中学生数理化,2008,（7-8）：116-117. [8]武欣.基于PASCO平台的高中物理力学实验开发[G].中国知网，2010.

[9]张大昌.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5.北京：人民教育出版社,2005.21. [10]赖莉飞,王笑君.动量定理定量探究实验的设计[J].物理实验,2003,23（8）：29-30.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n62p.html