借助DIS實(shí)驗(yàn)突破高中物理力學(xué)教學(xué)難點(diǎn)

林根旺

摘 要：DIS實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬延?jì)算機(jī)和物理實(shí)驗(yàn)課程有機(jī)結(jié)合起來(lái)。大部分學(xué)校都有DIS實(shí)驗(yàn)室，在各種教學(xué)比賽或教學(xué)公開(kāi)課中也常?？吹紻IS實(shí)驗(yàn)的身影。但仔細(xì)分析我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)，DIS實(shí)驗(yàn)大部分還只用在新課教學(xué)和物理原理探究驗(yàn)證上，其實(shí)在力學(xué)習(xí)題課難點(diǎn)的突破上，DIS實(shí)驗(yàn)也有很大的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)； 力學(xué)教學(xué)難點(diǎn)；細(xì)繩拉力

1 DIS實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的英文全稱是“Digital information system”，一般翻譯為數(shù)字化信息系統(tǒng)[ 1 ]，它用到了大量的以二十世紀(jì)前沿科技作為技術(shù)理論支撐，并在二十世紀(jì)下半葉得到實(shí)際應(yīng)用的設(shè)備。該系統(tǒng)最早由美國(guó)進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的研究和制造，之后加拿大、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始逐步引入到課堂教學(xué)中。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器與圖形計(jì)算機(jī)（內(nèi)含通用實(shí)驗(yàn)和專用實(shí)驗(yàn)軟件包）組成的。其中傳感器主要有電流、微電流、電壓、位移、溫度、聲波、力、磁、光電門(mén)等，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要選擇相應(yīng)的傳感器，它可以快速、高精度地實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給數(shù)字采集器；數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)以串行方式通信，最多可同時(shí)接插四種傳感器，采集器對(duì)傳感器傳輸?shù)碾娦盘?hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析后將結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的通用軟件和專用軟件，根據(jù)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。

我國(guó)最早的DIS實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)在上海，2002年上海市教委將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)引入二期課改高中物理教材中。中國(guó)教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)引入國(guó)家新課程理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在文中明確指出“教師應(yīng)該積極開(kāi)發(fā)適合自己教學(xué)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目……鼓勵(lì)將電子計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代多媒體技術(shù)應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中”。在國(guó)家的大力提倡下，再加上DIS實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬延?jì)算機(jī)和物理實(shí)驗(yàn)課程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形式新穎、內(nèi)容豐富、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理方便，極大地方便學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，給高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力，于是極具潛力的DIS實(shí)驗(yàn)便很快在中學(xué)教育中逐漸推廣開(kāi)來(lái)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，大部分學(xué)校都有了DIS實(shí)驗(yàn)室，在各種教學(xué)比賽或教學(xué)公開(kāi)課中也常?？吹紻IS實(shí)驗(yàn)的身影。但仔細(xì)分析我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)DIS實(shí)驗(yàn)大部分還只用在新課教學(xué)和物理原理探究驗(yàn)證中，其實(shí)在習(xí)題課難點(diǎn)的突破上，DIS實(shí)驗(yàn)也有很大的發(fā)展空間。

2 物理力學(xué)教學(xué)中存在的難點(diǎn)

常常有學(xué)生反映高中物理比較難，花了很大的精力成績(jī)還是提不上去，甚至這已經(jīng)成為一種共識(shí)，浙江、上海等地先行高考改革，物理遇冷成了社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。很多考生由于物理比較難而放棄選擇物理，據(jù)報(bào)道2017年浙江29.13萬(wàn)考生中僅8萬(wàn)人選考物理，占比27.5%，物理是考生選擇最少的學(xué)科；而上海選考物理的考生也僅30%。學(xué)生大呼物理難學(xué)，擔(dān)任物理教學(xué)的教師也感到物理難教，許多知識(shí)反復(fù)多次講解，學(xué)生還是一知半解，或者只是表面理解了，過(guò)一段時(shí)間又忘得一干二凈。這當(dāng)然有多方面的原因，高中物理內(nèi)容多，課堂容量大，章與章之間思維跨躍大；探究問(wèn)題時(shí)不僅要從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，有時(shí)還要從建立物理模型出發(fā)，從已經(jīng)存在的概念出發(fā)，建立抽象的物理概念；物理練習(xí)題有時(shí)不但需要通過(guò)發(fā)散性的分析，搞清研究對(duì)象所遵守的物理規(guī)律，而且還需要較強(qiáng)的綜合能力和數(shù)學(xué)能力。而在這眾多原因中，高中物理知識(shí)與日常生活現(xiàn)象的聯(lián)系也不緊密，甚至有一些在生活中見(jiàn)不到，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)，這是一個(gè)相當(dāng)重要的因素。如在驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中（實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示），誤差的一個(gè)重要原因是系統(tǒng)在加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中細(xì)繩的拉力F不等于鉤碼的重力mg，老師在講解過(guò)程基本上是靠數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，而生活中甚至是初中的知識(shí)給學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)是拉力F等于鉤碼的重力mg，在實(shí)際的教學(xué)中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)往往是直觀的感性認(rèn)識(shí)占上方，學(xué)生在這個(gè)問(wèn)題上一直轉(zhuǎn)不過(guò)彎來(lái)，下次碰到同樣類型的問(wèn)題時(shí)還是會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為細(xì)繩的拉力F等于鉤碼的重力mg。

其實(shí)這也不奇怪，根據(jù)學(xué)習(xí)金字塔理論，聽(tīng)講是最低層次、最沒(méi)有效率的學(xué)習(xí)，而視聽(tīng)層次是更有效的學(xué)習(xí)方式，如果我們能給學(xué)生直觀地看到加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中細(xì)繩拉力的變化情況，相信能讓學(xué)生對(duì)這一知識(shí)有更深刻的認(rèn)識(shí)，可傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材是很難看到加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中繩子的拉力的，DIS實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)讓這種設(shè)想成為可行。有許多力學(xué)教學(xué)難點(diǎn)亦是如此。

3 借助DIS實(shí)驗(yàn)突破高中物理力學(xué)教學(xué)難點(diǎn)案例

3.1 加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的細(xì)繩拉力問(wèn)題

【例題1】在探究加速度與物體所受合外力和質(zhì)量間的關(guān)系時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，小車質(zhì)量用M表示，懸掛的砝碼質(zhì)量用m表示，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使小車所受的阻力忽略，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中小車的加速度可由紙帶上打點(diǎn)計(jì)數(shù)器打出的點(diǎn)計(jì)算。為使砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的拉力， M與m的大小關(guān)系應(yīng)滿足 。

解析： 當(dāng)M和m做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以得到：

當(dāng)M>>m時(shí)，可近似認(rèn)為小車所受的拉力F等于mg.

DIS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：裝置如圖1所示，在繩子連接小車的一端加上力傳感器，數(shù)據(jù)顯示方式選擇“示波”。當(dāng)M約等于m時(shí)測(cè)得的圖象如圖2左邊所示；當(dāng)M約等于20m時(shí)測(cè)得的圖象如圖2右邊所示。

從圖象中我們可以發(fā)現(xiàn)：在系統(tǒng)加速時(shí)繩子拉力都會(huì)發(fā)生變化，大小并不等于重力；當(dāng)M與m差不多時(shí)，拉力有較大變化；而M當(dāng)遠(yuǎn)大于m時(shí)，繩子拉力變化不大，可近似認(rèn)為小車所受的拉力F等于mg.

3.2 力分解過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題

【例題2】：如圖3所示，物體處于平衡狀態(tài)，若保持OA繩方向不變，當(dāng)OB繩與水平方向夾角 從900減小到00過(guò)程中，OA繩的拉力T和OB繩的拉力F大小如何變化？

DIS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：裝置如圖3所示，支架可繞0點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)（我是用鋁合金窗滑撐桿），兩力傳感器固定在支架末端，兩細(xì)繩一端一起系住砝碼，另一端分別固定在兩力傳感器的掛鉤上，注意調(diào)整細(xì)繩長(zhǎng)短，保證兩細(xì)繩系住砝碼的結(jié)點(diǎn)與金屬支架的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)0重合。數(shù)據(jù)顯示方示選擇“數(shù)字”，轉(zhuǎn)動(dòng)其中一根桿，可在電腦中直觀地看到兩繩拉力的變化情況，

從實(shí)驗(yàn)中我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)力F與水平方向夾角 從900減小到00過(guò)程中，F(xiàn)先變大后變小，T一直變大，且當(dāng)F與OA垂直時(shí)，F(xiàn)最小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，結(jié)論與理論推導(dǎo)完全符合，相信會(huì)給學(xué)生留下深刻印象。

3.3 牛頓第二定律的瞬時(shí)問(wèn)題

【例題3】如圖4左邊所示，兩個(gè)質(zhì)量相同的小球用細(xì)繩連接，通過(guò)輕彈簧懸掛在天花板上，開(kāi)始時(shí)兩小球均保持靜止?fàn)顟B(tài).突然剪斷細(xì)繩，求剪斷瞬間上面的小球A與下面的小球B的加速度？

解析：這一題與彈力是否會(huì)突變有很大關(guān)系，我們經(jīng)常說(shuō)連接物像彈簧、橡皮筋等產(chǎn)生的彈力不會(huì)瞬間發(fā)生改變（即改變需要時(shí)間和過(guò)程），而像輕繩、輕桿產(chǎn)生的彈力會(huì)瞬間發(fā)生改變，事實(shí)是否真是如此呢？我們可以用DIS實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下，將彈簧的上端固定在力傳感器的掛鉤上，剪斷下面細(xì)繩，彈簧彈力的變化情況如圖4右邊所示。

從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)剪斷下面的細(xì)繩后彈簧彈力改變確實(shí)需要時(shí)間和過(guò)程（前面的細(xì)微變化是因?yàn)榧舻督佑|細(xì)繩時(shí)引起的），因而剪斷瞬間彈簧彈力不會(huì)瞬間發(fā)生改變，根據(jù)牛頓第二定律易得aA=0， aB=g。

3.4 晾衣服中的繩子拉力問(wèn)題

【例題4】：如圖5所示，輕繩兩端分別固定在豎直桿M、N上的a、b兩點(diǎn)，懸掛衣服的衣架掛于繩上處于靜止?fàn)顟B(tài)，不計(jì)細(xì)繩與衣架掛鉤間的摩擦力且認(rèn)為細(xì)繩不可伸長(zhǎng).如果將細(xì)繩的右端上移到b′，當(dāng)衣架再次靜止時(shí)，繩子拉力變大、變小還是不變，將桿N向緩慢右移一些，繩子拉力又如何變化？[ 2 ]

解析： 設(shè)兩桿間距離為d，繩長(zhǎng)為l，因衣架掛鉤光滑的，故aO、bO對(duì)O點(diǎn)的拉力大小相等，又由水平方向受力平衡有aO、bO與水平方向的夾角相等，分析可得

由以上各式可知，當(dāng)N桿向右移一些時(shí)，l不變，d變大，θ變大，則細(xì)繩拉力變大；而改變b的位置或繩兩端的高度差時(shí)，l、d不變，θ不變，繩子拉力不變。

我們可以用DIS實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬，用兩鐵架臺(tái)代替豎直桿M、N，動(dòng)滑輪和鉤碼代替光滑掛鉤和衣服，其中一鐵架臺(tái)上固定力傳感器，細(xì)繩一端系在傳感器的掛鉤上（注意調(diào)整傳感器的角度，讓細(xì)繩和掛鉤在一條直線上，不然會(huì)出現(xiàn)較大誤差），左右或上下移動(dòng)另一鐵架臺(tái)，從實(shí)驗(yàn)中我們可以看到實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論推導(dǎo)還是很一致的。

4 結(jié)束語(yǔ)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，如果一些物理難題也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)展示出來(lái)，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)一些復(fù)雜的物理教學(xué)理論也能與實(shí)際有機(jī)結(jié)合，就能引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其探究問(wèn)題真相的欲望，從而調(diào)動(dòng)他們學(xué)好物理的積極性和主動(dòng)性。DIS實(shí)驗(yàn)憑借其先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)理論，給我們提供了更多的可操作的實(shí)驗(yàn)方案，只要我們認(rèn)真研究，相信會(huì)對(duì)物理教學(xué)起到很好的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱瑞珠.DIS實(shí)驗(yàn)在高中物理課堂教學(xué)中的輔助實(shí)例分析[J]. 考試周刊，2016：11-16.

[2]陳寶友.芻議共點(diǎn)力平衡條件的應(yīng)用問(wèn)題[J].教學(xué)考試，2018（7）：23.