DISLab验证液压千斤顶 原理

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  摘 要:引入“帕斯卡原理”时教师通常会采用理论推导得出结论,学生缺乏感知,不易接受,以至于死记硬背结论,课堂效果差。在演示实验与理论教学的配合过程中,结合学生实际情况,利用DISlab数字化信息系统这个平台,针对以上不足进行改进,解决了传统弹簧测力计所不能测量压力的问题。精确且实时动态地采集实验信息,并实现数字化显示图像信息 [1 ],改变“老师灌输、同学死记硬背公式”的现状,弥补课本和实验配套的不足。
  关键词:帕斯卡原理;DISlab数字化信息系统;力传感器;注射器
  1 引入“帕斯卡原理”两现状
  引入“帕斯卡原理”时教师通常会采用理论推导得出结论,学生缺乏感知,不易接受,以至于死记硬背结论,课堂效果差。有的是利用自制仪器:用一个重量比活塞与注射器管壁之间的摩擦力大的砝码压在小注射器上,用磅秤测量在挤压大注射器时所施加的压力,从测到的数值中减去液体加上活塞的重量,验证一下帕斯卡原理。操作难道大,台秤读数误差大,若要多次测量叠加砝码有一定的难度 [2 ]。本人决定对仪器进行改进,解决以上不足。
  2 目的和思路
  2.1 设计目的
  解决传统弹簧测力计不能测量压力及误差较大等问题。改变“老师灌输、同学死记硬背公式”的现状,利用实验探究精确得出结论,弥补课本和实验配套的不足。
  2.2 设计思路
  小缸的活塞面积为S1,压力为F1;大缸的活塞面积为S2,负载力为F2;若S1/S2=F1/F2, 则P=F1/S1=F2/S2 。
  2.3 DISLab简介
  DISLab是英文Digital Information System Laboratoryd的缩写,意为“数字化信息系统实验室”。它是利用多媒体信息技术辅助实验教学的软硬件一体化的教学实验系统。主要包括数据采集器、多种教学专用传感器以及安装了配套专用软件的计算机。传感器用来快速、高精度地实时采集实验数据,并将其转变为电信号传输给数据采集器;数据采集器是连接传感器和计算机的桥梁,是整个系统的核心,对传感器传输的电信号进行数/模转换和数据分析,然后将结果传输给计算机进行显示和实时处理 [3 ]。
  3 科学方法和原理
  从理论到实践,以帕斯卡原理引导仪器的设计和制作;再从实践到理论,以设计制作的仪器探究和实验验证千斤顶原理(帕斯卡原理)。利用数学化信息技术对表格、图像进行处理。
  4 实验过程
  4.1 实验主器材
  朗威DISLab、计算机、铁架台及配件、注射器2只(1ml和10ml)、点滴导管、力传感器1对、支架及螺丝、刻度尺等。
  4.2 整体系统图(如图1、图2)
  4.3 操作步骤
  (1)两注射器吸适量水后,用点滴管连接。
  (2)利用铁架台及配件,固定好大小注射器。(如图3)
  (3)将力传感器分别接入数据采集器1、2通道,选择“通用软件”,将力传感器调零,创建表格。选择适当的采样时间间隔,点击“开始”,实验记录数据。
  (4)实验结束,选择有效数据,绘图,线性拟合,如图4。
  (5)用刻度尺测大注射器10ml的总长度及小注射器1ml的总长度,计算出S1/S2 。
  (6)得出结论并评估。
  4.5 实验结果
  分析:小注射器V1=1 ml,长度为L1=6cm, 由V=S·H得,S1=V1/L1 =1ml/6cm。
  同理可得S2=V2/L2=10ml/6cm。
  两受力面面积之比为:S2/S1=10。
  图5为F1与F2的变化图像,通过拟合,得出图5公式:y=10.3342x 0.02,在误差允许范围内F2/F1=10.3,
  即:S1/S2=F1/F2 ?坜F1/S1=F2/S2 。
  由此验证了液压千斤顶的原理:P=F1/S1=F2/S2 。
  5 创新点
  与国内外同类项目相比 ,本探究具有:全面探究、直观易懂、定量精确、操作简便。测量力的仪器选择DIS力传感器,解决了传统弹簧测力计所不能测量压力的问题。精确且实时动态地采集实验信息,并实现数字化显示图像信息,改变“老师灌输、同学死记硬背公式”的现状,弥补课本和实验配套的不足。
  参考文献:
  [1] 赵春然,朱孟正.数字化实验系统DISLab与传统演示实验对比研究[J].高师理科学刊,2011,31(1):94-96.
  [2] 滕玉伏,梁兰英,苏福河等.简介“科学探究帕斯卡原理”[J].实验教学与仪器, 2009,26(5):27-28.
  [3] 纪为民.DISLab对中学物理实验的帮助[J].中国现代教育装备,2011(14):39-40.
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