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[项目]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 精华

云天 | 初级技神 | 创造力： | 帖子： | 发消息 | 串个门 | 加好友 | 打招呼
2022-11-17 11:22:55 [显示全部楼层]
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[项目] 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

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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
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图1

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图2

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
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图3
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。
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图7
行空板秒表图形化程序
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图6
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
  1. 

  2. #  -*- coding: UTF-8 -*-

  3. 

  4. # MindPlus

  5. # Python

  6. from pinpong.extension.unihiker import *

  7. from pinpong.board import Board,Pin

  8. from unihiker import GUI

  9. import time

  10. import math

  11. 

  12. # 自定义函数

  13. def JieMianChuShiHua():

  14.     global 时钟,分,秒,毫秒,序号

  15.     时钟=u_gui.fill_clock(x=120,y=200,r=100,color="#FF0000",fill="#FFFF00")

  16.     分=u_gui.draw_digit(text="00",x=10,y=20,font_size=40, color="#0000FF")

  17.     标签1=u_gui.draw_digit(text="：",x=50,y=20,font_size=40, color="#0000FF")

  18.     秒=u_gui.draw_digit(text="00",x=90,y=20,font_size=40, color="#0000FF")

  19.     标签2=u_gui.draw_digit(text="：",x=130,y=20,font_size=40, color="#0000FF")

  20.     毫秒=u_gui.draw_digit(text="00",x=170,y=20,font_size=40, color="#0000FF")

  21.     时钟.config(h=0,m=0,s=0)

  22.     序号=u_gui.draw_text(text="",x=190,y=70,font_size=20, color="#000000")

  23. def ShiJianXianShiFuWei():

  24.     时钟.config(h=0,m=0,s=0)

  25.     分.config(text="00")

  26.     秒.config(text="00")

  27.     毫秒.config(text="00")

  28. def ShiJianXianShi():

  29.     global YunXingShiJian,HaoMiao,Miao,FenZhong

  30.     HaoMiao = ((time.time() - YunXingShiJian) * 100)

  31.     毫秒.config(text=(math.floor(HaoMiao)))

  32.     if (HaoMiao > 99):

  33.         YunXingShiJian = time.time()

  34.         Miao = (Miao + 1)

  35.         if (Miao < 10):

  36.             秒.config(text=(str("0") + str(Miao)))

  37.         else:

  38.             秒.config(text=Miao)

  39.         时钟.config(h=0,m=FenZhong,s=Miao)

  40.         if (Miao == 60):

  41.             Miao = 0

  42.             FenZhong = (FenZhong + 1)

  43.             if (FenZhong < 10):

  44.                 分.config(text=(str("0") + str(FenZhong)))

  45.             else:

  46.                 分.config(text=FenZhong)

  47.             时钟.config(h=0,m=FenZhong,s=Miao)

  48. def HuiXianShiJian():

  49.     global JiLuXuHao

  50.     if (JiLuXuHao > (len(LieBiaoFenZhong) - 1)):

  51.         JiLuXuHao = 0

  52.     序号.config(text=(JiLuXuHao + 1))

  53.     LinShiFenZhong = (int(float((LieBiaoFenZhong[JiLuXuHao]))))

  54.     LinShiMiao = (int(float((LieBiaoMiao[JiLuXuHao]))))

  55.     LinShiHaoMiao = (LieBiaoHaoMiao[JiLuXuHao])

  56.     毫秒.config(text=LinShiHaoMiao)

  57.     if (LinShiMiao < 10):

  58.         秒.config(text=(str("0") + str(LinShiMiao)))

  59.     else:

  60.         秒.config(text=LinShiMiao)

  61.     if (LinShiFenZhong < 10):

  62.         分.config(text=(str("0") + str(LinShiFenZhong)))

  63.     else:

  64.         分.config(text=LinShiFenZhong)

  65.     时钟.config(h=0,m=LinShiFenZhong,s=LinShiMiao)

  66.     JiLuXuHao = (JiLuXuHao + 1)

  67. 

  68. 

  69. Board().begin()

  70. u_gui=GUI()

  71. p_p23_in=Pin(Pin.P23, Pin.IN)

  72. p_p21_in=Pin(Pin.P21, Pin.IN)

  73. QiDongBiaoShi = 0

  74. HuiKanBiaoShi = 0

  75. JiLuXuHao = 0

  76. HaoMiao = 0

  77. Miao = 0

  78. FenZhong = 0

  79. LieBiaoFenZhong = []

  80. LieBiaoMiao = []

  81. LieBiaoHaoMiao = []

  82. JieMianChuShiHua()

  83. 

  84. while True:

  85.     if (p_p23_in.read_digital()==True):

  86.         if (QiDongBiaoShi == 0):

  87.             ShiJianXianShiFuWei()

  88.             QiDongBiaoShi = 1

  89.             YunXingShiJian = time.time()

  90.         else:

  91.             ShiJianXianShi()

  92.     else:

  93.         if (QiDongBiaoShi == 1):

  94.             LieBiaoFenZhong.append(FenZhong)

  95.             LieBiaoMiao.append(Miao)

  96.             LieBiaoHaoMiao.append((math.floor(HaoMiao)))

  97.             序号.config(text=(JiLuXuHao + 1))

  98.             JiLuXuHao = (JiLuXuHao + 1)

  99.             QiDongBiaoShi = 0

  100.             HaoMiao = 0

  101.             Miao = 0

  102.     if (p_p21_in.read_digital()==True):

  103.         if (HuiKanBiaoShi == 0):

  104.             HuiKanBiaoShi = 1

  105.             HuiXianShiJian()

  106.     else:

  107.         if (HuiKanBiaoShi == 1):

  108.             HuiKanBiaoShi = 0

  109.             HuiXianShiJian()

  110. 

复制代码

(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。
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图8
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。
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图9
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”。
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图4
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
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图5
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
  1. 

  2. #  -*- coding: UTF-8 -*-

  3. 

  4. # MindPlus

  5. # Python

  6. from pinpong.extension.unihiker import *

  7. from pinpong.board import Board,Pin

  8. from unihiker import GUI

  9. import time

  10. import math

  11. 

  12. # 自定义函数

  13. def ZhouQiBaoCun():

  14.     global XingHao

  15.     global LieHao

  16.     global JiShu

  17.     global QiDongBiaoShi

  18.     global ChuanGanQiBiaoShi

  19.     global ZhouQiLeiJi

  20.     if ((QiDongBiaoShi == 1) or ((LieHao > 0) and (LieHao < 20))):

  21.         if (p_p22_in.read_digital()==True):

  22.             if (ChuanGanQiBiaoShi == 0):

  23.                 ChuanGanQiBiaoShi = 1

  24.                 JiShu = (JiShu + 1)

  25.                 if (JiShu == 2):

  26.                     JiShu = 0

  27.                     ZhouQiJiSuan()

  28.         else:

  29.             ChuanGanQiBiaoShi = 0

  30.     else:

  31.         if (QiDongBiaoShi == 2):

  32.             启动.config(text="已完成")

  33.             组别.config(text="")

  34.             次数.config(text="")

  35.             ZuiZhongZhouQi = round((ZhouQiLeiJi / (XingHao * 20)),2)

  36.             最终周期=u_gui.draw_digit(text=ZuiZhongZhouQi,x=10,y=200,font_size=30, color="#0000FF")

  37.             ZhongLiJiaSuDu = round((((4 * (math.pi**2)) * 0.5361) / (ZuiZhongZhouQi**2)),4)

  38.             重力加速度=u_gui.draw_digit(text=ZhongLiJiaSuDu,x=120,y=240,font_size=30, color="#FF0000")

  39.             fp.save("重力加速度.xls")

  40. def QiDongPanDuan():

  41.     global QiDongBiaoShi

  42.     if (p_p23_in.read_digital()==True):

  43.         if (QiDongBiaoShi == 0):

  44.             启动.config(text="已启动")

  45.             组别.config(text="第1组")

  46.             QiDongBiaoShi = 1

  47.     else:

  48.         if (QiDongBiaoShi == 1):

  49.             QiDongBiaoShi = 2

  50. def ZhouQiJiSuan():

  51.     global YunXingShiJian,ZhouQiShiJian,ZhouQiLeiJi,XingHao,LieHao

  52.     if (YunXingShiJian == 0):

  53.         YunXingShiJian = time.time()

  54.     else:

  55.         ZhouQiShiJian = (time.time() - YunXingShiJian)

  56.         ZhouQiLeiJi = (ZhouQiLeiJi + ZhouQiShiJian)

  57.         周期.config(text=round(ZhouQiShiJian,2))

  58.         YunXingShiJian = time.time()

  59.         table.write(XingHao, LieHao, ZhouQiShiJian, style=mindStyle)

  60.         LieHao = (LieHao + 1)

  61.         次数.config(text=(str("第") + str((str(LieHao) + str("个")))))

  62.         if (LieHao > 19):

  63.             XingHao = (XingHao + 1)

  64.             LieHao = 0

  65.             组别.config(text=(str("第") + str((str((XingHao + 1)) + str("组")))))

  66. 

  67. 

  68. u_gui=GUI()

  69. Board().begin()

  70. import xlwt

  71. p_p22_in=Pin(Pin.P22, Pin.IN)

  72. p_p23_in=Pin(Pin.P23, Pin.IN)

  73. YangShi = "font: name Times New Roman, color-index red, bold on"

  74. fp = xlwt.Workbook(encoding="ascii")

  75. mindStyle = xlwt.easyxf(strg_to_parse=YangShi, num_format_str="0.0000")

  76. table = fp.add_sheet(sheetname="重力加速度", cell_overwrite_ok=True)

  77. YunXingShiJian = 0

  78. JiShu = 0

  79. ZhouQiLeiJi = 0

  80. ChuanGanQiBiaoShi = 0

  81. QiDongBiaoShi = 0

  82. XingHao = 0

  83. LieHao = 0

  84. 标签1=u_gui.draw_text(text="实时周期：",x=5,y=20,font_size=20, color="#0000FF")

  85. 周期=u_gui.draw_text(text="",x=140,y=20,font_size=20, color="#0000FF")

  86. 启动=u_gui.draw_text(text="未启动",x=80,y=280,font_size=20, color="#0000FF")

  87. 标签2=u_gui.draw_text(text="当前组别：",x=5,y=80,font_size=20, color="#0000FF")

  88. 组别=u_gui.draw_text(text="",x=140,y=80,font_size=20, color="#0000FF")

  89. 标签3=u_gui.draw_text(text="当前次数：",x=5,y=120,font_size=20, color="#0000FF")

  90. 次数=u_gui.draw_text(text="",x=140,y=120,font_size=20, color="#0000FF")

  91. 

  92. while True:

  93.     QiDongPanDuan()

  94.     ZhouQiBaoCun()

  95. 

复制代码
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
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精彩评论(5)

木子呢  管理员

发表于 2022-11-17 11:51:02

神速！！！！！
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rzegkly  版主

发表于 2022-11-19 09:17:43

很好的案例，学习
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派大星ym  初级技匠

发表于 2022-11-22 09:25:08

行空板不吃灰系列
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白凡  高级技师

发表于 2022-11-24 09:16:34

666666
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许培享  中级技神

发表于 2023-12-2 11:27:21

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