数字实验系统：π系统在实验教学中的应用

2023-07-31 理论教育版权反馈

【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。

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图3—11—10

（2）验证动量守恒定律—碰撞中总动量不变

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）。

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