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利用传感器研究动量守恒问题 吉林师范大学物理学院(136000）杜金红刘茂军肖利 1引言 人类社会在进入20世纪后，科技迅速发展，信息与通信技术（ICT）也取得了巨大的成就，逐渐变成了推动社会发展的巨大动力。在教育领域里ICT教学也是教师构建高效课堂，学生实现探究式学习、个性化学习，培养创新精神和培养终身学习能力的重要工具，更是教师和学生跟随时代步伐的重要渠道。利用ICT的“五官”传感器进行物理实验教学是实现ICT与物理教学整合的重要渠道。 2传感器概述 对传感器的科学理解及其在现代信息技术中的应用实践，可以把传感器理解为：是一种信息拾取、转换装置；是一种能把物理量、化学量或生物量等按照一定规律转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的器件或装置，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 3传感器在物理教学中的实践应用以碰撞实验为例 3.1传统碰撞实验 传统的完全非弹性碰撞实验是将打点计时器固定在光滑的桌面的一端，把纸带穿过打点计时器，连接在小车后面，通过纸带上面的点来计算小车碰撞前后的速度。 而弹性碰撞则是把两个小球用线悬挂起来，一个小球静止，拉起另一个小球后放下，使两球相碰。通过小球被拉起的角度和被撞小球摆起的角度，从而计算小球被撞后的速度。 以上的实验方法只能粗略地测量出碰撞物体的速度，误差很大，说服力也不是很强，不能让学生完全信服。 3.2用传感器进行碰撞实验设计 3.2.1实验目的 3.2.1.1完全非弹性碰撞 这个实验的目的是测量非弹性碰撞前后的动量的值，用运动传感器测量非弹性碰撞前后两个小车的运动速度，用DataStudio记录并显示数据。计算两个小车碰撞前后的动量，比较两个小车碰撞前的总动量和碰后的总动量。 3.2.1.2完全弹性碰撞 这个实验的目的是测量弹性碰撞前后的动量的值，用运动传感器测量弹性碰撞前后两个小车的运动速度，用DataStudio记录并显示数据。计算两个小车碰撞前后的动量，比较两个小车碰撞前的总动量和碰撞后的总动量。 3.2.2实验仪器用具 运动传感器、1.2m运动导轨、运动小车等。 3.2.3实验原理 （1）完全非弹性碰撞 m1v1+m2v2=m1v1+m2v2 如果合外力被忽略，两个小车碰撞前的动量总和(等式左端)和碰撞的动量总和(等式右端)相等。 对非弹性碰撞的两个小车，碰撞后动量是两个小车共同运动的结果并有相同的速度。 m1v1+m2v2=(m1+m2)v v1=小车1的初始速度，v2=小车2的初始速度， v=共同速度。 （2）完全弹性碰撞 m1v1+m2v2=m1v1+m2v2 如果合外力被忽略，两个小车碰撞前的动量总和(等式左端)和碰撞的动量总和(等式右端)相等。 每个小车动量的改变是它的质量乘以它的速度的改变。 m1v1=m2v2，m1(v1-v1)=m2(v2-v2)。 3.2.4实验内容与步骤 3.2.4.1组装 （1）组装PASCO接口和计算机并接通电源。 （2）将一个运动传感器作为传感器1，连接这个传感器到PASCO接口的一端，将另一个运动传感器作为传感器2连接到接口的另一端。 （3）打开DataStudio文件23A（完全弹性碰撞打开文件23B），采集频率设置为20Hz。 （4）将1个小车记为小车1，另一个小车记为小车2，以千克为单位，测出每个小车的质量，并在实验报告纸上记录。 （5）将导轨放在水平面上调平，确定导轨左端为终点。 （6）将运动传感器1放在导轨左端，将运动传感器2放在导轨右端。 （7）调整每个传感器以至能测量小车的运动速度，将传感器调到小角度范围。 （8）将小车1放在导轨左边，将小车2放在导轨右边，确保小车相对端能用钩子钩住。 3.2.4.2实验步骤 （1）置每个小车离传感器距离为15cm。 （2）点击“开始”，慢慢地推动小车使其相向滚动。 （3）点击“停止”，结束实验。 3.2.5实验装置图 装置图如图1所示。 3.2.6实验数据图像示例及数据处理 （1）完全非弹性碰撞，实验数据图如图2所示，多次实验数据见表1。 (2）完全弹性碰撞，实验数据图表如图3所示，多次实验数据见表2。 图3完全非弹性碰撞实验数据图 4结论 通过实验可以发现，碰撞前后动量数值大小非常接近，在误差允许范围内，从而验证了碰撞前后动量守恒。 基于传感器的物理实验可以激发学生的学习兴趣，培养学生的探究能力，提高学生的创新能力，节省实验数