数字化物理实验演示教学-课件

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资源描述
参赛可修改优质的课件参赛可修改优质的课件 主讲人:主讲人:*DIS 实验实验演示与操作演示与操作1、运动物体的位移、速度、加速度、运动物体的位移、速度、加速度2、牛顿第二定律、牛顿第二定律3、平抛运动、平抛运动4、小灯泡的伏安特性曲线小灯泡的伏安特性曲线5、通电螺线管的磁场分布、通电螺线管的磁场分布6、电容充放电、电容充放电7、电源电动势和内阻、电源电动势和内阻8、动量定理(变力)、动量定理(变力)9、法拉第电磁感应定律(切割)、法拉第电磁感应定律(切割)10、法拉第电磁感应定律(感应)、法拉第电磁感应定律(感应)11、安培力、安培力12、向心力研究、向心力研究实实 验验 列列 表表1、测定位移、速度和加速度、测定位移、速度和加速度车轮置于导槽内铜螺母置于导向槽内力学轨道系统可应用于运动物体的平均速度测量等实验研究变速直线运动的研究变速直线运动的 st 图图 位移传感器的发射器固定在小车上,位移传感器的发射器固定在小车上,接收器固定在轨道一端。接收器固定在轨道一端。发射器发射器接收器连接接收器连接 采集器采集器导轨导轨小车小车位移传感器位移传感器采集器连接采集器连接计算机计算机位移传感器位移传感器发射器发射器接收器接收器传感器的作用:测量小车运动的距离。传感器的作用:测量小车运动的距离。实验完毕,注意关闭电源。实验完毕,注意关闭电源。连接采集器连接采集器电源开关电源开关注注 意:意:1、手不要进入发射器与接收器之间,、手不要进入发射器与接收器之间,以免影响信号传输。以免影响信号传输。2、各组实验可能会有干扰。、各组实验可能会有干扰。3、避免气流扰动(空调、电风扇、避免气流扰动(空调、电风扇、气垫导轨等)。气垫导轨等)。接入传感器后,自动弹出该传感器对应的窗口。传接入传感器后,自动弹出该传感器对应的窗口。传感器窗口标题栏显示出了该传感器所属的数据通道感器窗口标题栏显示出了该传感器所属的数据通道序号、类别、物理量量程及单位序号、类别、物理量量程及单位 点击进入组合点击进入组合图线窗口图线窗口点击选择区域按键,选择有效区域点击选择区域按键,选择有效区域点击拟合按键,选择拟合方程点击拟合按键,选择拟合方程点击选择图线2点击其他处理,选择求导点击其他处理,选择求导点击拟合,选择点击拟合,选择线性拟合线性拟合通过拟合图线方程读出斜率,即加速度a2 2、牛顿第二定律、牛顿第二定律利用计算机绘制利用计算机绘制 a-F 图和图和 a-M 图线图线通过从通过从V-tV-t图求加速度实验平衡摩擦力图求加速度实验平衡摩擦力黄色区域:黄色区域:手工输入手工输入F、M 白色区域:白色区域:计算机自动记计算机自动记录加速度值录加速度值1、研究加速度与研究加速度与外力外力的关系的关系释放小车释放小车得到得到 vt 图图 手工输入外力手工输入外力F 质量质量M(包括所有部件)(包括所有部件)手工输入质量手工输入质量M得到第一组数据得到第一组数据选择区域选择区域得到第得到第1组数据组数据 计算机自动输入计算机自动输入改变外力,得到第二组数据改变外力,得到第二组数据保持小车质量不变,保持小车质量不变,多次改变外力多次改变外力 得到第得到第2组数据组数据 改变外力,得到第三组数据改变外力,得到第三组数据第第3组数据组数据 改变外力改变外力 改变外力,得到第四组数据改变外力,得到第四组数据第第4组数据组数据 改变外力改变外力 改变外力,得到第五组数据改变外力,得到第五组数据第第5组数据组数据 改变外力改变外力 改变外力,得到第六组数据改变外力,得到第六组数据第第6组数据组数据 点击点击“aF 图像图像”改变外力改变外力 拟拟 合合 图图 线线得到加速度得到加速度 a 和外力和外力 F 图线图线 理想的实验结果:直线应当通过原点理想的实验结果:直线应当通过原点2、研究加速度与研究加速度与质量质量的关系的关系第第1组数据组数据 改变质量,得到第二组数据改变质量,得到第二组数据保持外力不变,多次保持外力不变,多次改变小车质量改变小车质量,得到第得到第2组数据组数据 外力不变外力不变改变质量,得到第三组数据改变质量,得到第三组数据第第3组数据组数据 改变质量,得到第四组数据改变质量,得到第四组数据第第4组数据组数据 改变质量,得到第五组数据改变质量,得到第五组数据第第5组数据组数据 点击点击“aM 图像图像”拟拟 合合 图图 线线得到加速度得到加速度 a 与质量与质量 M 图线图线 点击点击“a1M 图像图像”这是一条曲线,为了直观地分这是一条曲线,为了直观地分析,可以取倒数,析,可以取倒数,“化曲为直化曲为直”。点击点击“a1/M 图像图像”按钮,按钮,得到得到a1/M 图线。图线。拟拟 合合 图图 线线得到加速度得到加速度a与质量与质量M的倒数的倒数成正比的成正比的 图线图线 理想的实验结果:直线应当通过原点理想的实验结果:直线应当通过原点3 3、平抛运动、平抛运动 平抛运动实验器二维平抛运动实验器压电陶瓷片压电陶瓷片 d实验特色:实验特色:通过测量小球的初速度、飞行时间、落地距通过测量小球的初速度、飞行时间、落地距离等数据研究平抛运动离等数据研究平抛运动平平 抛抛 运运 动动 光电门光电门二维运动实验系统特色:二维运动实验系统特色:能够实时描绘运动物体的轨迹能够实时描绘运动物体的轨迹能够实时记录下运动物体在平面能够实时记录下运动物体在平面坐标系内的坐标坐标系内的坐标能够对坐标值进行数据处理,数能够对坐标值进行数据处理,数学分析,完成实验教学学分析,完成实验教学发射器发射器 接收器接收器 二维运动传感器二维运动传感器按固定间隔,发射按固定间隔,发射超声波信号。超声波信号。接收头接收头R1接收头接收头R2同时接收超声波信号同时接收超声波信号 分别测量发射器到分别测量发射器到两个接收头两个接收头R1、R2的的距离距离L1、L2。R2(x2,y2)R1(x1,y1)L2L1发射器发射器 T(x,y)接收器接收器 YX0L12=(XX1)2+(YY1)2L22=(XX2)2+(YY2)2 三角定位算法三角定位算法二维运动维运动传感器传感器发射器发射器 接收器接收器 实测图像实测图像对应的实验数据对应的实验数据改变采集频率改变采集频率点击点击Y,显示,显示竖直方向的分竖直方向的分运动运动点击点击X,显示,显示水平方向的分水平方向的分运动运动二次函数拟合二次函数拟合求加速度求加速度4 4、小灯泡、小灯泡U-I曲线描绘曲线描绘使用电流、电压传感器使用电流、电压传感器小灯泡小灯泡U-I曲线描绘曲线描绘电电 路路 连连 接接滑动电阻器滑动电阻器电流传感器电流传感器电压传感器电压传感器灯灯实实 验验 步步 骤骤点击点击“开始记录开始记录”和和“传感器调零传感器调零”。接通电源,点击接通电源,点击“记录数据记录数据”,将一组电压、电,将一组电压、电流值记录在软件的表格中。流值记录在软件的表格中。以适当的电流间隔,改变小灯泡的电流,同时点以适当的电流间隔,改变小灯泡的电流,同时点击击“记录数据记录数据”,记录不同电流以及对应的电压,记录不同电流以及对应的电压值值 。额定电流较大的小灯泡,间隔可相应增大。额定电流较大的小灯泡,间隔可相应增大。间隔间隔0.02A 点击点击“绘图绘图”,显示电,显示电压与电流的关系图线压与电流的关系图线 。对应的小灯泡依次为:对应的小灯泡依次为:6.3V0.15A6.3V0.42A6V5W 点击点击“数据计算数据计算”,计,计算出小灯泡电阻的大小。算出小灯泡电阻的大小。通用软件测通用软件测 U I 曲线曲线UIR0.400.182.221.200.343.531.600.384.212.400.445.453.200.506.404.000.557.274.800.608.00电阻值随电压升高而增大电阻值随电压升高而增大 UI实验中的怪现象实验中的怪现象电压电压 电流电流?快速拨动滑动变阻器,快速拨动滑动变阻器,瞬间改变电路电流。瞬间改变电路电流。分别显示电压、电流分别显示电压、电流电压电压 电流电流 浪涌电流浪涌电流 如何形成的?如何形成的?产生浪涌电流的原因:产生浪涌电流的原因:灯丝的冷电阻很小,当灯丝的冷电阻很小,当电压瞬间升高时,灯丝的电压瞬间升高时,灯丝的升温需要有一个过程,在升温需要有一个过程,在这一瞬间通过灯丝的电流这一瞬间通过灯丝的电流很大,这就是浪涌电流;很大,这就是浪涌电流;随即灯丝温度急剧上升,随即灯丝温度急剧上升,电阻增大,电流也相应回电阻增大,电流也相应回落。落。浪涌电流对电灯有害。浪涌电流对电灯有害。寻寻找找形形成成的的原原因因 灯丝电压(电阻增大,电压上灯丝电压(电阻增大,电压上升)升)灯丝电流(电阻增大,电流灯丝电流(电阻增大,电流下降)下降)电压电压 电流电流 ABCABC(若电阻不变)(若电阻不变)(若电阻不变)(若电阻不变)小灯瞬间点亮,对灯丝的冲击小灯瞬间点亮,对灯丝的冲击 利用三个界面,同时观察利用三个界面,同时观察物理量的变化过程。物理量的变化过程。5 5、观察电容充放电现象、观察电容充放电现象学学生生电电源源电电压压传传感感器器off多量程电流传感器多量程电流传感器20mA点击下拉菜单,点击下拉菜单,选择选择200拨动开关拨动开关6 6、研究通电螺线管的磁感应强度、研究通电螺线管的磁感应强度 10U6V实实 验验 装装 置置磁传感器磁传感器传感器的作用:传感器的作用:测量磁场的强度测量磁场的强度螺线管串接螺线管串接10电阻器接入稳定电阻器接入稳定的直流电源(电的直流电源(电压小于压小于6V)。)。传感器使用前需传感器使用前需预热预热3分钟。分钟。调节电源的正负极,调节电源的正负极,使磁传感器的读数为使磁传感器的读数为正值。正值。磁感强度测量值磁感强度测量值人工输入:测量距离人工输入:测量距离螺线管不通电的情螺线管不通电的情况下,传感器调零。况下,传感器调零。传感器的传感器的“0”刻度线与螺线管对齐。刻度线与螺线管对齐。以每次以每次0.5厘米的间隔推入螺线管内部,厘米的间隔推入螺线管内部,并点击并点击“记录数据记录数据”。实验步骤实验步骤螺线管螺线管磁传感器磁传感器 点击点击“绘图绘图”,显示螺线管,显示螺线管内部磁场强度分布图线内部磁场强度分布图线 。均匀的磁场均匀的磁场不要点击不要点击“清屏清屏”。清除表格中的全部数据,重新实验,清除表格中的全部数据,重新实验,可得到另一条图线。可得到另一条图线。6V电压电压 3V电压电压 线圈匝数不变,不同线圈匝数不变,不同电压所对应的磁感强度。电压所对应的磁感强度。间隔为间隔为1厘米,厘米,图线不圆滑。图线不圆滑。使用螺线管的中心抽头,研究电流不变使用螺线管的中心抽头,研究电流不变(0.5A)时,不同匝数所对应的磁感强度。时,不同匝数所对应的磁感强度。螺线管的外侧螺线管的外侧 中心抽头中心抽头200匝匝 100匝匝 实验中的注意事项实验中的注意事项1、串联、串联10保护电阻。保护电阻。2、传感器不要长时间滞留在通电的螺线管内,、传感器不要长时间滞留在通电的螺线管内,以免损坏器件。以免损坏器件。霍尔元件通电霍尔元件通电后会发热后会发热7 7、测定电源电动势和内阻、测定电源电动势和内阻使用电压、电流传感器使用电压、电流传感器使用专用软件使用专用软件y=-0.60 x+3.00内阻内阻电动势电动势使用通用软件使用通用软件内阻内阻:1.47电动势电动势:2.79V小车插入小车插入2厘米挡光片。厘米挡光片。调整力传感器的高度,使其挂钩调整力传感器的高度,使其挂钩与小车的弹簧圈位于同一高度。与小车的弹簧圈位于同一高度。光电门的位置:小车挡光结束后,光电门的位置:小车挡光结束后,立即与挂钩相碰。立即与挂钩相碰。8 8、动、动 量量 定定 理理 力传感器力传感器光电门光电门实验界面实验界面修改默认值修改默认值挡光片再次通过光挡光片再次通过光电门时,电门时,测得测得v,得到得到:p,=m v,点击点击“开始记录开始记录”推动小车运动。推动小车运动。挡光片通过光电挡光片通过光电门时,测得门时,测得 v得到:得到:p =m v实实 验验 过过 程程动量的变化量动量的变化量 p(p,p)点击点击“选择区域选择区域”碰撞后的图线碰撞后的图线 力传感器测得的力传感器测得的Ft 图图p=m vp,=m v,p 对图线内的区域进对图线内的区域进行积分,得到面积。行积分,得到面积。面积的物理含义:面积的物理含义:冲量冲量 I 理论值:理论值:I p 改变小车质量、碰撞改变小车质量、碰撞速度、碰撞介质等,对速度、碰撞介质等,对实验进行深入的研究。实验进行深入的研究。9/109/10、法拉第电磁感应、法拉第电磁感应智能电源+法拉第电磁感应定律实验器感生感应电动势法拉第电磁感应定律实验器 动生感应电动势研制的装置研制的装置由不同高度下落,利由不同高度下落,利用光电门测得速度用光电门测得速度v电压传感器测得对应电压传感器测得对应的电动势的电动势 E图线显示图线显示 E和和 v 的正的正比关系。比关系。磁铁磁铁线圈线圈挡光片挡光片光电门:光电门:测量线圈下落测量线圈下落的速度的速度电压传感器:电压传感器:测量电动势测量电动势S实验过程:实验过程:电动势电动势E速度速度v测量速度的同时,测量速度的同时,导体切割磁场,导体切割磁场,产生感应电动势产生感应电动势E200匝匝挡光片挡光片光电门光电门电压传感器电压传感器测量感应电动势测量感应电动势磁铁磁铁测量下落速度测量下落速度v磁力线磁力线1、研究:研究:E=B l v改变线圈的下落高度改变线圈的下落高度匝数一定时,多匝数一定时,多次改变线圈的下落次改变线圈的下落速度,研究电动势速度,研究电动势与速度的关系;与速度的关系;S实验过程:实验过程:电动势电动势E速度速度v磁铁磁铁实验显示:实验显示:感应电动势与速度成正比感应电动势与速度成正比200匝匝2、研究:、研究:E=B l v改变匝数改变匝数改变线圈匝数,重复实验,改变线圈匝数,重复实验,完成另两组测量。完成另两组测量。比较三组数据,研究电动比较三组数据,研究电动势与线圈匝数的关系。势与线圈匝数的关系。改变线圈的匝数改变线圈的匝数改变线圈的匝数改变线圈的匝数重复实验重复实验实验100匝匝300匝匝200匝匝感应电动势与导体长度的关系感应电动势与导体长度的关系实验显示:实验显示:感应电动势与匝数成正比感应电动势与匝数成正比电动势之比电动势之比1:2:3100匝匝200匝匝300匝匝取同一速度取同一速度E=B l v另一种实验方法:另一种实验方法:改变磁感应强度,产生感应电动势。改变磁感应强度,产生感应电动势。B t E由于磁通量由于磁通量的大小无法直接测量,但的大小无法直接测量,但可以利用磁传感器测量磁感应强度可以利用磁传感器测量磁感应强度B。将测量将测量的变化快慢,转变为测量的变化快慢,转变为测量B的的变化快慢。这样既不影响对物理本质的变化快慢。这样既不影响对物理本质的理解,同时又具有可操作性。理解,同时又具有可操作性。t E=研究:研究:研究:研究:磁感应强度磁感应强度感应电动势感应电动势磁感强度不变磁感强度不变电动势恒定电动势恒定磁感强度均匀增加磁感强度均匀增加磁感强度均匀减小磁感强度均匀减小电动势恒定电动势恒定电动势为电动势为0磁感不变磁感不变为为0磁感应强度变化与感应电动势磁感应强度变化与感应电动势教学:教学:感应电动势的大小与磁感强度的变感应电动势的大小与磁感强度的变化快慢直接相关。化快慢直接相关。当磁感强度均匀变化时,感应电动当磁感强度均匀变化时,感应电动势恒定势恒定。改变螺线管中的电流改变螺线管中的电流螺线管螺线管测量磁感应强度测量磁感应强度实时实验实时实验 1:观察磁场的变化观察磁场的变化 螺线管的电流变化时,螺线管的电流变化时,螺线管内部的磁感强度也螺线管内部的磁感强度也发生变化。发生变化。Bt 图图实时实验实时实验 2:磁感强度均匀变化时,感应电动势恒定。磁感强度均匀变化时,感应电动势恒定。测量磁感应强度测量磁感应强度测量副线圈的测量副线圈的感应电动势感应电动势副线圈副线圈原线圈原线圈调节电源,改变原调节电源,改变原线圈的磁感应强度。线圈的磁感应强度。可调电源可调电源改变原线圈的磁改变原线圈的磁感应强度。感应强度。智能电源智能电源法拉第电磁感应定法拉第电磁感应定律实验器律实验器电源开关交直流转换档电压输出接口直流电压调节旋钮交流电压调节旋钮点击“模式”按键,可选择输出梯形波、三角波、斜率连续变化的锯齿波及手动改变电压等模式。可调节输出电压信号的上升斜率可调节输出电压信号的下降斜率点击“运行”输出之前选择的波形正向感应电动势正向感应电动势大小恒定大小恒定t1 t3 t4 t2 实时测量感应电动势实时测量感应电动势反向感应电动势反向感应电动势大小恒定大小恒定电动势为电动势为 0磁感不变磁感不变磁感强度均匀增加磁感强度均匀增加磁感强度均匀减小磁感强度均匀减小Bt 图图Et 图图改变磁感强度的变化率改变磁感强度的变化率 K,感应电动势感应电动势 E 将会如何?将会如何?前后两段时间的前后两段时间的 B 变化大小相同,变化大小相同,t 越小,产生的越小,产生的 E 越大。越大。图线充分说明:感应电动势的大小图线充分说明:感应电动势的大小与磁感应强度的变化快慢有关。与磁感应强度的变化快慢有关。磁感强度变化率磁感强度变化率 K 感应电动势感应电动势EK1 K2 K3 E3 E2 E1 K4 E5 E4 K5 磁感强度变化率磁感强度变化率 K 越大;越大;感应电动势感应电动势 E 也越大;也越大;K1K2K3 K4 K5E1E2E3 E4 E5实验实验 3:研究研究 E 和和 的关系的关系Bt 存在什么关系存在什么关系?E 和和B t K=电动势电动势E实验显示:实验显示:感应电动势感应电动势与磁感应强度的变化率成正比与磁感应强度的变化率成正比Bt 斜率斜率K=研究研究 E 和和 的关系的关系Bt B t EFI宽边宽边 窄边窄边 1111、安培力、安培力S力传感器力传感器电流传感器电流传感器多次改变电流多次改变电流 I,测量对应的测量对应的 F。磁场对线圈磁场对线圈宽边宽边的作用的作用FI磁场磁场磁场对线圈磁场对线圈窄边窄边的作用的作用1212、向心力的研究、向心力的研究力传感器测量向心力力传感器测量向心力光电门测量光电门测量旋转速度旋转速度砝码砝码重视实验前仪器的调整重视实验前仪器的调整 摇臂摇臂砝码砝码旋转螺栓旋转螺栓原理示意图原理示意图砝砝码码向心力向心力自重引起误差自重引起误差摇臂摇臂支撑点支撑点连接杆连接杆受力时,摇臂处于受力时,摇臂处于横平竖直状态横平竖直状态可调可调旋转螺栓旋转螺栓连接杆连接杆砝砝码码砝砝码码砝砝码码砝砝码码砝砝码码砝砝码码砝砝码码砝砝码码砝砝码码示示 意意 图图砝砝码码砝砝码码砝砝码码每挡光一次,记录一个数据点。每挡光一次,记录一个数据点。课桌课桌界面界面力传感器观察窗口力传感器观察窗口 手工输入半径和质量手工输入半径和质量开始记录开始记录输入旋转半径和砝码的质量,转动实验器输入旋转半径和砝码的质量,转动实验器的旋臂,随着旋臂转速逐渐减慢,坐标系中的旋臂,随着旋臂转速逐渐减慢,坐标系中将显示砝码的角速度与向心力的数据点。将显示砝码的角速度与向心力的数据点。三种拟合三种拟合 分别点击分别点击“一次拟合一次拟合”、“二次拟合二次拟合”和和“三次拟合三次拟合”,得出三条拟合图线。,得出三条拟合图线。观察可见,二次拟合图线与数据点的分布非观察可见,二次拟合图线与数据点的分布非常接近,可推断常接近,可推断F-之间是二次方的函数关系。之间是二次方的函数关系。点击数据点点击数据点点击某个数据点,可显示该点点击某个数据点,可显示该点的坐标值,以便精确分析。的坐标值,以便精确分析。研究研究m不变时,不变时,F与与的关系的关系 保持砝码的质量保持砝码的质量m不变,分别改变不变,分别改变旋转半径旋转半径r,重复,重复实验,得到三条图实验,得到三条图线。线。研究研究不变时,不变时,F与与m的关系的关系 保持砝码的旋保持砝码的旋转半径不变,改转半径不变,改变砝码的质量,变砝码的质量,重复实验,得到重复实验,得到三条图线三条图线 。旋转面竖直时测量向心力旋转面竖直时测量向心力两种情况下,向心力是否相同?两种情况下,向心力是否相同?光电门的位置光电门的位置砝砝码码砝砝码码砝砝码码砝砝码码实验器测量的是光电门所在位置的向心力。实验器测量的是光电门所在位置的向心力。光电门的位置不同,测得的向心力也不同。光电门的位置不同,测得的向心力也不同。旋转面竖直时测量向心力旋转面竖直时测量向心力两种情况下,向心力是否相同?两种情况下,向心力是否相同?连接杆等附件的连接杆等附件的自重会带来误差。自重会带来误差。无线向心力实验器力传感器光电门传感器无线传输改变倾角谢谢各位老师!谢谢各位老师!再再见!见!
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