信息技术与物理学科深度融合案例 用单摆测量重力加速度
本帖最后由 云天 于 2022-11-17 11:25 编辑信息技术与物理学科深度融合案例实验：用单摆测量重力加速度实验背景“用单摆测量重力加速度”是人教版（2019）高中物理选择性必修第一册第二章第5节的内容。
本节课将通过利用DIS实验技术与传统的实验方法相结合进行“单摆法测重力加速度”。
在日常的中学物理教学中，引导学生建立物理概念和掌握物理规律是教师的主要工作，而以学生分组实验的形式进行教学是一种很好的手段，但是对于一些传统的学生分组实验，实验存在无法克服的系统误差，其实验的数据往往和理论值相差较大。这样，实验的说服力就较弱了，往往让授课教师的处境非常尴尬。在“单摆法测重力加速度”这个学生分组实验中，我们在结合传统的实验基础上，再利用DIS实验技术进行“单摆法测重力加速度”，这样可以取得更明显的实验效果。
"DIS" 是英文"DigitalInformation System"的缩写，又称“数字化信息系统”。是由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）+计算机”构成的新型实验系统。在物理学中有很多物理量，如距离、位移、力、速度、温度、压强、电压、电流、等，都可以用DIS进行测量。该系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。课前准备教师准备：本节课使用国产开源硬件“行空板”，在传统学生分组实验中，“行空板”做为秒表，学生利用此“秒表”手动记录单摆周期。在DIS实验中，采用行空板、光电传感器实验器材，使小球摆动时在最低点通过光电传感器，由行空板直接显示单摆周期，计算重力加速度，并可以将每个周期记录在电子表格中。
实验目的1.测定单摆周期，验证单摆振动的等时性。
2.利用单摆测量当地的重力加速度。
3.了解光电传感器的使用，学习用行空板数字化信息系统获得数据并处理数据的方法。
实验原理当摆角较小时（小于5°），单摆做简谐运动，单摆周期跟单摆的摆线长度和当地的重力加速度有关。根据单摆的周期公式：T=2π√(L/g) 。可得g=4π²L/T²其中，L为摆长。实验仪器实验架台、刻度尺、行空板、光电传感器、按钮、数据线、计算机、摆线、小球、量角器。实验装置做单摆：让线的一端系在小球上，把线的上端结点与量角器中心对齐（用来测量摆角），让摆球自由下垂，在单摆平衡位置处安装光电传感器。做行空板DIS：实物图
光电传感器接行空板引脚22，按钮1、按钮2分别接引脚21、引脚23。电路图物理量的测量1．测摆长(1)方法一：用刻度尺直接侧量小球球心与悬挂点之间的距离作为摆长l。(2)方法二：用游标卡尺测量小球的直径d，用刻度尺测量悬挂点与小球上端之间的距离l′，则摆长l＝l′＋d/2。(3)方法三：用刻度尺先测量悬挂点与小球上端之间的距离l1，再测量悬挂点与小球下端之间的距离l2，则可得摆长l＝( l1＋l2)/2。测量本次实验摆线的长度L为0.5361米）。2．测周期
(1)传统实验方法学生分组实验，用行空板秒表测量单摆的周期。将单摆从平衡位置拉开一个角度，且满足偏角小于5°，然后释放摆球，当单摆摆动稳定后，用行空板秒表测量单摆完成30次(或50次)全振动的时间t。计算出平均摆动一次的时间T＝t/n，即为单摆的振动周期T。改变摆长，重复实验多次。将每次实验得到的T代入公式g=4π²L/T²，计算重力加速度。
行空板秒表图形化程序利用行空板实时显示秒表时间，点击引脚23上按钮记录周期时间，并将周期时间保存到列表中。点击引脚21上按钮，可回看保存的周期时间。行空板秒表Python程序
#-*- coding: UTF-8 -*-
# MindPlus
# Python
from pinpong.extension.unihiker import *
from pinpong.board import Board,Pin
from unihiker import GUI
import time
import math
# 自定义函数
def JieMianChuShiHua():
global 时钟,分,秒,毫秒,序号
时钟=u_gui.fill_clock(x=120,y=200,r=100,color="#FF0000",fill="#FFFF00")
分=u_gui.draw_digit(text="00",x=10,y=20,font_size=40, color="#0000FF")
标签1=u_gui.draw_digit(text="：",x=50,y=20,font_size=40, color="#0000FF")
秒=u_gui.draw_digit(text="00",x=90,y=20,font_size=40, color="#0000FF")
标签2=u_gui.draw_digit(text="：",x=130,y=20,font_size=40, color="#0000FF")
毫秒=u_gui.draw_digit(text="00",x=170,y=20,font_size=40, color="#0000FF")
时钟.config(h=0,m=0,s=0)
序号=u_gui.draw_text(text="",x=190,y=70,font_size=20, color="#000000")
def ShiJianXianShiFuWei():
时钟.config(h=0,m=0,s=0)
分.config(text="00")
秒.config(text="00")
毫秒.config(text="00")
def ShiJianXianShi():
global YunXingShiJian,HaoMiao,Miao,FenZhong
HaoMiao = ((time.time() - YunXingShiJian) * 100)
毫秒.config(text=(math.floor(HaoMiao)))
if (HaoMiao > 99):
YunXingShiJian = time.time()
Miao = (Miao + 1)
if (Miao < 10):
秒.config(text=(str("0") + str(Miao)))
else:
秒.config(text=Miao)
时钟.config(h=0,m=FenZhong,s=Miao)
if (Miao == 60):
Miao = 0
FenZhong = (FenZhong + 1)
if (FenZhong < 10):
分.config(text=(str("0") + str(FenZhong)))
else:
分.config(text=FenZhong)
时钟.config(h=0,m=FenZhong,s=Miao)
def HuiXianShiJian():
global JiLuXuHao
if (JiLuXuHao > (len(LieBiaoFenZhong) - 1)):
JiLuXuHao = 0
序号.config(text=(JiLuXuHao + 1))
LinShiFenZhong = (int(float((LieBiaoFenZhong))))
LinShiMiao = (int(float((LieBiaoMiao))))
LinShiHaoMiao = (LieBiaoHaoMiao)
毫秒.config(text=LinShiHaoMiao)
if (LinShiMiao < 10):
秒.config(text=(str("0") + str(LinShiMiao)))
else:
秒.config(text=LinShiMiao)
if (LinShiFenZhong < 10):
分.config(text=(str("0") + str(LinShiFenZhong)))
else:
分.config(text=LinShiFenZhong)
时钟.config(h=0,m=LinShiFenZhong,s=LinShiMiao)
JiLuXuHao = (JiLuXuHao + 1)
Board().begin()
u_gui=GUI()
p_p23_in=Pin(Pin.P23, Pin.IN)
p_p21_in=Pin(Pin.P21, Pin.IN)
QiDongBiaoShi = 0
HuiKanBiaoShi = 0
JiLuXuHao = 0
HaoMiao = 0
Miao = 0
FenZhong = 0
LieBiaoFenZhong = []
LieBiaoMiao = []
LieBiaoHaoMiao = []
JieMianChuShiHua()
while True:
if (p_p23_in.read_digital()==True):
if (QiDongBiaoShi == 0):
ShiJianXianShiFuWei()
QiDongBiaoShi = 1
YunXingShiJian = time.time()
else:
ShiJianXianShi()
else:
if (QiDongBiaoShi == 1):
LieBiaoFenZhong.append(FenZhong)
LieBiaoMiao.append(Miao)
LieBiaoHaoMiao.append((math.floor(HaoMiao)))
序号.config(text=(JiLuXuHao + 1))
JiLuXuHao = (JiLuXuHao + 1)
QiDongBiaoShi = 0
HaoMiao = 0
Miao = 0
if (p_p21_in.read_digital()==True):
if (HuiKanBiaoShi == 0):
HuiKanBiaoShi = 1
HuiXianShiJian()
else:
if (HuiKanBiaoShi == 1):
HuiKanBiaoShi = 0
HuiXianShiJian()
(2)DIS实验过程1）将光电门传感器固定在单摆的平衡位置处并将其接入行空板22引脚。2）在行空板主菜单使用“切换运行程序”，点击“单摆测重力加速度”程序。3）逐步调整传感器的位置和单摆摆长，使摆球通过传感器并能够顺利挡光。4）用手使摆球摆动，点击连接行空板引脚23的按钮，屏幕显示“已启动”，此时，行空板将会自动记录单摆的周期，每一组记录20个周期。再次点击“按钮”，行空板会在完成记录当前组的20个周期后，停止记录数据。显示平均周期及重力加速度，并将数据保存到电子表格文件“单摆测重力加速度.xls”。 5）比较实验中测得的重力加速度与当地实际重力加速度值的差别。（实验地：河北张家口，9.800）行空板DIS系统图形化程序通过光电传感器，判断小球经过最低点，记录单摆周期。并通过扩展xlwt将周期时间记录在电子表格中。行空板DIS系统Python程序
#-*- coding: UTF-8 -*-
# MindPlus
# Python
from pinpong.extension.unihiker import *
from pinpong.board import Board,Pin
from unihiker import GUI
import time
import math
# 自定义函数
def ZhouQiBaoCun():
global XingHao
global LieHao
global JiShu
global QiDongBiaoShi
global ChuanGanQiBiaoShi
global ZhouQiLeiJi
if ((QiDongBiaoShi == 1) or ((LieHao > 0) and (LieHao < 20))):
if (p_p22_in.read_digital()==True):
if (ChuanGanQiBiaoShi == 0):
ChuanGanQiBiaoShi = 1
JiShu = (JiShu + 1)
if (JiShu == 2):
JiShu = 0
ZhouQiJiSuan()
else:
ChuanGanQiBiaoShi = 0
else:
if (QiDongBiaoShi == 2):
启动.config(text="已完成")
组别.config(text="")
次数.config(text="")
ZuiZhongZhouQi = round((ZhouQiLeiJi / (XingHao * 20)),2)
最终周期=u_gui.draw_digit(text=ZuiZhongZhouQi,x=10,y=200,font_size=30, color="#0000FF")
ZhongLiJiaSuDu = round((((4 * (math.pi**2)) * 0.5361) / (ZuiZhongZhouQi**2)),4)
重力加速度=u_gui.draw_digit(text=ZhongLiJiaSuDu,x=120,y=240,font_size=30, color="#FF0000")
fp.save("重力加速度.xls")
def QiDongPanDuan():
global QiDongBiaoShi
if (p_p23_in.read_digital()==True):
if (QiDongBiaoShi == 0):
启动.config(text="已启动")
组别.config(text="第1组")
QiDongBiaoShi = 1
else:
if (QiDongBiaoShi == 1):
QiDongBiaoShi = 2
def ZhouQiJiSuan():
global YunXingShiJian,ZhouQiShiJian,ZhouQiLeiJi,XingHao,LieHao
if (YunXingShiJian == 0):
YunXingShiJian = time.time()
else:
ZhouQiShiJian = (time.time() - YunXingShiJian)
ZhouQiLeiJi = (ZhouQiLeiJi + ZhouQiShiJian)
周期.config(text=round(ZhouQiShiJian,2))
YunXingShiJian = time.time()
table.write(XingHao, LieHao, ZhouQiShiJian, style=mindStyle)
LieHao = (LieHao + 1)
次数.config(text=(str("第") + str((str(LieHao) + str("个")))))
if (LieHao > 19):
XingHao = (XingHao + 1)
LieHao = 0
组别.config(text=(str("第") + str((str((XingHao + 1)) + str("组")))))
u_gui=GUI()
Board().begin()
import xlwt
p_p22_in=Pin(Pin.P22, Pin.IN)
p_p23_in=Pin(Pin.P23, Pin.IN)
YangShi = "font: name Times New Roman, color-index red, bold on"
fp = xlwt.Workbook(encoding="ascii")
mindStyle = xlwt.easyxf(strg_to_parse=YangShi, num_format_str="0.0000")
table = fp.add_sheet(sheetname="重力加速度", cell_overwrite_ok=True)
YunXingShiJian = 0
JiShu = 0
ZhouQiLeiJi = 0
ChuanGanQiBiaoShi = 0
QiDongBiaoShi = 0
XingHao = 0
LieHao = 0
标签1=u_gui.draw_text(text="实时周期：",x=5,y=20,font_size=20, color="#0000FF")
周期=u_gui.draw_text(text="",x=140,y=20,font_size=20, color="#0000FF")
启动=u_gui.draw_text(text="未启动",x=80,y=280,font_size=20, color="#0000FF")
标签2=u_gui.draw_text(text="当前组别：",x=5,y=80,font_size=20, color="#0000FF")
组别=u_gui.draw_text(text="",x=140,y=80,font_size=20, color="#0000FF")
标签3=u_gui.draw_text(text="当前次数：",x=5,y=120,font_size=20, color="#0000FF")
次数=u_gui.draw_text(text="",x=140,y=120,font_size=20, color="#0000FF")
while True:
QiDongPanDuan()
ZhouQiBaoCun()
注意事项1．摆线应选择细、轻而且不易伸长的，长度为1m左右的，不要过长或过短，太长测量不方便，太短摆动太快，不易计数。小球应选体积小、密度大的金属球，这样可以减小空气阻力的影响。2．单摆摆线的上端应夹紧，不能卷在铁夹的杆上，以免造成悬点不固定，摆长变化的现象。3．摆长要悬挂好摆球后再测，不要先测摆长再系小球，因为悬挂摆球后细绳会发生形变。测量摆长时应注意是悬点到球心的距离，等于摆线长加上小球半径。注意摆线长与摆长的区别。4．要使单摆在竖直平面内摆动，不要形成圆锥摆。摆角要小于5°(中学阶段实验时不要超过15°)，不要过大，因为摆角过大，单摆的振动不再是简谐运动，公式就不再适用。5．计算单摆的振动次数时，应从小球通过最低位置(平衡位置)时开始计时，同方向再次通过最低位置时累加计数。实践活动
师：同学们分组合作讨论，自己设计一个测重力加速度的DIS实验。生：根据自由落体公式：h=1/2gt²,得g=2h/t²。在铁架台顶固定电磁铁吸引金属小球，行空板控制电磁铁断电记时，当小球撞击地面，利用行空板声音传感器接收信号，并停止记时，得自由落体时间t,再结合已测量的下落高度h,根据公式计算重力加速度g。生：结合打点记时器测重力加速度的方法，利用行空板连接USB摄像头，以相同的时间间隔拍摄小球下落过程（背景放置刻度尺），利用图处理技术，将所有照片叠加在一起。根据打点计时器加速度的公式△x=aT²，计算重力加速度。课后反思
DIS实验技术可以准确地描述各个物理量之间的关系，体现现代科学技术准确性高的特点，是以后中学物理教学的常见模式。同时，我们也不可以全盘否定传统的物理实验，本节课就是尝试着将二者相互结合，使二者互相补充。既使学生加深了对实验原理的理解，也提高了实验数据处理的准确性。演示视频https://www.bilibili.com/video/BV1LP411g78H/?share_source=copy_web 神速！！！！！ 很好的案例，学习 行空板不吃灰系列{:6_213:} 666666{:6_209:} 详细教程 import(time)这个怎么弄出来？
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