传感器力学综合实验

传感器力学综合实验

采用美国PASCO 公司生产的动力学实验系统，该系统利用传感器代替传统测量仪器，配以Datastudio 数据处理软件，用电脑采集和处理数据，满足各种力学物理量的测量需要，能够设计包括冲量，动量，动能，能量守恒，动量守恒，弹性碰撞，非弹性碰撞，简谐振动，摩擦力等多种动力学实验。

加速度和简谐振动实验利用运动传感器和力传感器，对不同倾角的斜面上的弹簧和物体系统的振动周期和运动受力情况进行电脑监控和数据采集，通过“Datastudio ”软件进行分析和处理，根据受力与弹簧形变情况可求出弹簧倔强系数k ，也能根据测量受力和物体运动加速度情况从而验证牛顿第二定律F=ma 。

冲量定理实验是利用运动传感器和力传感器，对光滑导轨上的小车的运动情况和碰撞受力情况进行电脑监控和数据采集，通过“Datastudio ”软件进行分析和处理，给出弹性碰撞前后速度及碰撞过程中力随时间的变化关系，从而在一定精度下验证了冲量定理。

实习1加速度和简谐振动

一、实验目的

本实验目的是测量不同倾角的斜面上的弹簧和物体系统的振动周期和运动受力情况，并验证牛顿第二定律F=ma 。

二、实验仪器

ScienceWorkshop 接口，50N 力传感器，运动传感器，带质量的动力车，弹簧，导轨，底座和支杆

三、实验原理

对于弹簧上的物体，振动的理论周期为

k

m T π2= （1） 这里T 是一个周期运动的时间，m 是振动质量，k 是弹簧倔强系数。

根据虎克定律，弹簧产生的力与弹簧被压缩或伸长的距离成正比，

F=-kx （2）

这里k 是弹簧倔强系数。这样在实验上，可以通过施加不同的力让弹簧压缩或伸长不同的距离来确定。作力—距离的图，直线的斜率就等于k 。

根据牛顿第二定律

F=ma （3）

其中F是作用在物体m上的外力,a是物体的加速度。

四、实验内容

1．仔细阅读PASCO综合力学实验中相关仪器的说明书，了解DataStudio 软件的使用方法

2. 正确连接计算机、ScienceWorkshop接口及传感器；打开ScienceWorkshop 接口，然后打开计算机。

3. 双击电脑上DataStudio 图标，打开软件，创建新的实验项目，进行ScienceWorkshop接口和传感器的参数设置(必要时可进行传感器初始化校正)。

图1

4．将运动传感器与力传感器分别安置在导轨的两端，把小车放在导轨上，把弹簧的一端插入小车的孔中，将弹簧和小车连在一起，然后把弹簧的另一端与导轨末端的力传感器连在一起。抬高与弹簧相连的导轨的末端，让导轨倾斜。导轨的末端升高后，弹簧会伸长。让导轨的倾角足够小，这样，被拉长的弹簧的长度不

。

超过导轨长度的一半。记下平衡位置L

5. 在这个实验中，力传感器用来测量弹簧的受力情况。而运动传感器用来测量小车的运动情况（位移，速度，加速度）。用软件测量和绘制小车运动情况随时间变化，弹簧受力与位移或者加速度变化的数据表格和图线。

6.根据小车运动情况测出简谐振动的周期T,代入公式（1）可求出弹簧倔强系数k；根据公式（2），弹簧受力与位移的变化关系也可求出弹簧倔强系数k；两种方法的测量结果可进行比较分析；根据公式（3）弹簧受力与加速度的变化关系可验证牛顿大二定律，自行设计数据表格及数据处理过程。

要求：充分利用计算机软件处理优势，有图形有数据有表格，设计合理，数

据处理正确。

NOTE注意事项

1．根据说明书正确使用仪器，严禁鲁莽操作，以免损坏仪器。

2. 实验中应小心调节小车车轮间距与导轨上轮槽匹配，以减少摩擦。

3. 实验中应避免小车碰撞运动传感器，造成仪器损坏

4. 实验中每次使用力传感器测量受力前，请按下力传感器上的清零按钮进行受力清零校正，并小心检测力传感器的受力情况，防止超过50N的受力范围，造成仪器损坏。

五、本实验可入手的创新点

1. 研究不同角度的斜坡上弹簧小车体系的简谐振动情况，根据实验中数据证明你所总结的规律。（例如：简谐振动的周期会随着斜坡倾角的改变而改变吗？比较周期的实验值和理论值，结果如何？随着倾角改变平衡位置会改变吗？如果倾角变为90度，周期将是多少？等等）

2. 思考其他的简谐振动或其他形式的运动（如单摆，三线摆，扭摆等等）利用本套力学实验系统是否能完成这些测量？为什么？本仪器的测量精度如何？

3. 生活中或生产中那些测量能应用到力传感器或运动传感器？尝试找出这些现象？如何应用？本仪器的测量精度如何？

Suggestion建议

1. 尝试思考和解答以上问题，自己设计实验方案,利用数据说明问题，找出答案。

2. 查询相关资料，拓宽思路，也许会发现不少有趣的新问题。

实习2冲量定理

一、实验目的

本实验的目的是研究小车与力传感器发生弹性碰撞前后的动量和受力冲量情况，并验证冲量定理。

二、实验仪器

ScienceWorkshop接口，50N力传感器，运动传感器，带质量的动力车，导轨，底座和支杆

三、实验原理

根据牛顿第二定律： dp F dt = (1)

其中 F 为物体所受的力，p 为物体的动量, 而 t 为受力时间。受力前后的动量变化满足以下公式： f i p p p Fdt ∆=-=⎰ (2) 其中p mv = ，而 Fdt ⎰ 表示受力时间内力F 对时间t 的积分。

四、实验内容

1．仔细阅读PASCO 综合力学实验中相关仪器的说明书，了解DataStudio 软件的使用方法

2. 正确连接计算机、ScienceWorkshop 接口及传感器；打开ScienceWorkshop 接口，然后打开计算机。

3. 双击电脑上DataStudio 图标，打开软件，创建新的实验项目，进行ScienceWorkshop 接口和传感器的参数设置(必要时可进行传感器初始化校正)。

图2

4．将运动传感器与力传感器分别安置在导轨的两端，把磁性小车放在导轨上，调节导轨下的倾斜螺丝，保证整个导轨水平。将力传感器上受力部位连接磁性缓冲器，推动磁性小车使其匀速运动，碰撞力传感器上的磁性缓冲器后匀速返回。

5. 在这个实验中，力传感器用来测量碰撞时的受力情况。而运动传感器用来测量小车的运动情况（位移，速度，加速度）。用软件测量和绘制小车整个碰撞过程前后的运动情况随时间变化以及碰撞受力随时间变化的数据表格和图线。

6.利用软件采集数据点坐标及积分区域计算等功能，计算小车运动前后的动量变化值如公式（3），以及受力冲量值如公式（4），