【摘 要】DIS實驗有其獨特的優(yōu)勢，可以測得傳統(tǒng)實驗測不出來的物理量，大大增加實驗效率與數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，優(yōu)化教學(xué)效果。用DIS實驗探究液體中的作用力與反作用力，將浸入水中的物體與水之間的作用力直觀展示出來，證明了液體環(huán)境中的牛頓第三定律。

【關(guān)鍵詞】DIS實驗；液體環(huán)境；相互作用力

一、DIS實驗的優(yōu)勢

DIS就是由計算機(jī)、傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成的數(shù)字化信息系統(tǒng)，它能夠能夠即時的采集所需要的各種數(shù)據(jù)信息。與傳統(tǒng)實驗相比，DIS實驗有以下優(yōu)勢：（1）可以大大提高數(shù)據(jù)處理的效率，并能夠直觀的展示出實驗結(jié)果，智能化的數(shù)據(jù)處理與圖像擬合可以清晰的揭示物理規(guī)律。（2）DIS實驗可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗的不足，能夠測量傳統(tǒng)實驗不易測量的物理量，例如光強(qiáng)、磁場等物理量傳統(tǒng)實驗室無法測量的，DIS實驗可以把測量范圍擴(kuò)大，滿足更多的教學(xué)需求。（3）可以做許多拓展性實驗，在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展與改進(jìn)，使實驗過程變得更加簡潔，實驗結(jié)果更加精確，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力。

二、利用DIS實驗測量液體中的牛頓第三定律

牛頓第三定律在高中階段內(nèi)容表述很清晰，然而傳統(tǒng)實驗很難將其演示出來，改用力傳感器來測量，不僅能展示出物體間作用力與反作用力的大小，而且同時能夠展現(xiàn)相互作用力的方向和它們的變化情況。

王紅梅等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)部分中學(xué)學(xué)生認(rèn)為牛頓第三定律不是普遍適用的。那在一些比較復(fù)雜的環(huán)境中比如在水中，物體受到的浮力和對水的反作用力是否大小相等方向相反呢？為了研究浸入水中的物體和水之間的作用力，同時為了增強(qiáng)教學(xué)效果，筆者借助DIS系統(tǒng)來進(jìn)行實驗探究。

實驗儀器

力傳感器一只、二維力平臺傳感器一臺、Datastudio軟件、電腦一臺以及水桶、玻璃杯、細(xì)線等器具。

實驗過程

1.連接好力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)，將二維力傳感器放在水平桌面上，向塑料水桶中倒入適量水并將其放在二維力平臺傳感器上。將水杯用細(xì)線掛在力傳感器上，懸在水桶上方（如圖1）。

2.打開將Datastudio軟件，將記錄頻率設(shè)置為10Hz，點擊“啟動”開始記錄，靜止幾秒后將水杯緩慢浸入水中再緩慢提出水面（如圖1），觀察此過程中拉力和壓力的示數(shù)變化（如圖2）。

3.數(shù)據(jù)分析：圖2中上半圖紅線代表的是二維力平臺傳感器所受到的壓力變化情況，藍(lán)線代表的是力傳感器所受到的拉力變化情況。這里無法直接測得水與水杯之間的作用力，從傳感器力的大小變化可間接計算相互作用力的大小。由圖像可知，當(dāng)水杯向下浸入水中時，拉力減小壓力增大，很明顯水杯受到水向上的浮力，而拉力傳感器減小這部分拉力就等于杯子受到的水的浮力大小。同時隨著水杯浸入水的體積增大，底部壓力傳感器受到的壓力越來越大，增加的這部分壓力就來源于水杯對水的作用力，方向向下。

在軟件上做一個簡單的運(yùn)算將拉力與壓力變化的大小直觀顯示出來，如下半圖，粉色線壓力傳感器的變化代表杯子對水的作用力大小，紫色線拉力傳感器的大小變化代表水對杯子的浮力大小，可以看到兩曲線幾乎完全重合，得到結(jié)論水杯浸入在水中時，雖然浸入體積不斷變化，水與水杯之間的相互作用力大小始終相等。此實驗向?qū)W生證明了在液體這種復(fù)雜的環(huán)境中牛頓第三定律也是成立的，物體與液體之間的作用力與反作用力大小相等、方向相反。

注意事項

1.在連接好DIS實驗系統(tǒng)后，實驗開始前要注意校準(zhǔn)傳感器的示數(shù)，不受力時示數(shù)要清零。

2.先啟動軟件，開始采集數(shù)據(jù)以后再將杯子浸入水中以獲取完整的實驗數(shù)據(jù)。

3.杯子浸入水中時盡量平緩穩(wěn)定，盡量使裝置保持穩(wěn)定狀態(tài)以減少誤差。

三、總結(jié)與展望

上述實驗過程新奇，現(xiàn)象明顯，可操作性強(qiáng)，將DIS系統(tǒng)實驗與自制器具相結(jié)合，以真實的數(shù)據(jù)圖像展示了水中物體和水之間的作用力情況，在探究科學(xué)性問題與規(guī)律的同時增加了學(xué)習(xí)的趣味性。課本上牛頓第三定律的相關(guān)實驗比較單一，教學(xué)中對牛頓第三定律大多都是一筆帶過，往往要求學(xué)生記住就行，學(xué)生沒有足夠的感性材料就很難將規(guī)律理解透徹，本文用實驗的手段探究了液體環(huán)境中物體之間的相互作用力，實驗內(nèi)容具有創(chuàng)新性，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的同時將物理知識運(yùn)用到更廣闊的范圍中。

DIS實驗有其獨特的優(yōu)勢，恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用DIS教學(xué)手段可以豐富教學(xué)效果，提高學(xué)生的積極性，同時我們也應(yīng)注意到它并不能完全取代傳統(tǒng)實驗，學(xué)校教學(xué)中要把DIS系統(tǒng)實驗與傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢結(jié)合起來，以更好的實現(xiàn)教育目的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]倪亞清.利用DIS系統(tǒng)探究加速度與力、質(zhì)量的天系[J].物理教學(xué)，2016.38（11）：31-33

[2]王紅梅.物理概念教學(xué)中“相異構(gòu)想”的研究[J].物理與工程，2010.20（1）：46-47

【作者簡介】

張鵬，男，漢族，籍貫山東淄博，出生于1992年7月，天津師范大學(xué)碩士，專業(yè)學(xué)科教學(xué)物理。