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2025-09-29
数字实验系统：π系统在实验教学中的应用
【摘要】：使用π系统可以连续记录两辆小车运动中的位移及速度变化情况，此功能首先是DIS分体式位移传感器系统所不具备的。这些都是对物理实验教学空白的成功填补。π系统的教学贡献自不待言，但从历史的角度来审视π系统，可知其一旦定型投入使用，也就站在了等待自我否定的位置上。
1.联机和调试
将π系统应用于实验教学，应遵循以下步骤：
（1）将无线接收模块接入计算机，打开π系统专用软件。
（2）将π系统小车放在轨道上，确保其三个轮子均与轨道处于稳定接触的状态。
（3）打开π系统小车上的电源开关，轻按小车上的调零按键，将小车此时所处的位置确定为零点。
（4）轻推小车改变其位置，计算机上即可实时显示小车当前位置与零点之间的距离，并可描绘出“位移—时间”图线。根据所获得的数据，还可计算出小车运行的速度、加速度。
2.实验案例
（1）验证牛顿第二定律—从v—t图求加速度
作为经典力学最基本的定律之一，牛顿第二定律的验证要点是测量加速度。
如图3—11—9所示，将π系统小车置于倾斜的槽式轨道上，点击专用软件—“从v—t图求加速度”，令小车沿轨道自由下滑，系统即可实时获得v—t图线。在图线上选择某一区域，即可在数据窗口中获得该区域内图线的起始点所对应的初位移、末位移时间差和加速度值[图3—11—10（a）]。
图3—11—10（b）所示为使用分体式位移传感器做同一实验所得的实验图像。两者对比可知，π系统从实验精度和图像线性度上有了较大提升。
图3—11—10
（2）验证动量守恒定律—碰撞中总动量不变(https://www.chuimin.cn)
动量守恒定律是最早发现的一条守恒定律，法国哲学家兼数学家、物理学家笛卡尔在这方面作出了重要贡献。验证动量守恒也是高中物理实验中的一个经典内容。
如图3—11—11所示，在槽式轨道上放置两辆质量不同的π系统小车。实验时，两小车磁性缓冲器相对，令小车1运动并与处于静止状态的小车2碰撞，碰撞后两小车交换速度。计算机实时给出每辆小车的“速度—时间”图线，从图像可见弹性碰撞中动量保持守恒（图3—11—12）。如果采用尼龙搭扣缓冲器做实验，能够得出非弹性碰撞同样保持动量守恒的结论（图3—11—13）。
图3—11—11 小车碰撞实验
图3—11—12 弹性碰撞时动量守恒
图3—11—13 非弹性碰撞时动量守恒
增大π系统小车2与轨道间的摩擦力（可将软质摩擦片放在小车前端的轨道上）再做实验，可得到总动量不再保持不变的结论。这表明两车相碰后总动量保持不变是有条件的，即两小车所受外力之和为零或近似为零。
使用π系统可以连续记录两辆小车运动中的位移及速度变化情况，此功能首先是DIS分体式位移传感器系统所不具备的。其次，在碰撞实验中，可避免使用光电门时经常遇到的测量点过于接近或远离碰撞点的问题。这些都是对物理实验教学空白的成功填补。
桃李不言，下自成蹊：
本文的撰写首先基于对π系统研发过程的自我肯定。π系统的教学贡献自不待言，但从历史的角度来审视π系统，可知其一旦定型投入使用，也就站在了等待自我否定的位置上。
的确，π解决了不少实验问题，尤其是碰撞过程中动量守恒的精确测量等难题。但它不是万能的。在信息技术飞速发展、研发人员永不满足的今天，我们已经做好了使用更新更好的技术对π系统进行替代的准备。
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