信息技術(shù)下“超重與 失重”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

宋峰

摘 要：“超重與失重”是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的重要應(yīng)用。現(xiàn)行人教版教材對(duì)該部分內(nèi)容的演示實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間短暫且無法記錄的硬傷，影響了學(xué)生對(duì)概念及本質(zhì)的理解。文章利用信息化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的“超重與失重”演示實(shí)驗(yàn)做了一些改進(jìn)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)更加直觀，也讓實(shí)驗(yàn)更有說服力。

關(guān)鍵詞：模擬電梯運(yùn)行裝置;“科學(xué)日志”APP;超重;失重

高中物理必修1“牛頓第二定律的應(yīng)用——超重與失重”部分內(nèi)容安排在牛頓運(yùn)動(dòng)定律的教學(xué)內(nèi)容之后，要求學(xué)生在了解的基礎(chǔ)上進(jìn)一步認(rèn)識(shí)超重與失重現(xiàn)象[1]。在本節(jié)內(nèi)容的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于超重失重的本質(zhì)總是局限在記憶層面，要通過習(xí)題反復(fù)地訓(xùn)練才能有所成效。個(gè)人覺得這種方式違背了新課標(biāo)中要著重培養(yǎng)和提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的理念。筆者經(jīng)過不斷地思考和總結(jié)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，多數(shù)是因?yàn)榻處熢趯?shí)際教學(xué)中喜歡用網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)成的電梯里關(guān)于超重與失重的實(shí)驗(yàn)視頻或者照搬現(xiàn)行教材中的演示實(shí)驗(yàn)來展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。然而對(duì)于以上的兩種實(shí)驗(yàn)演示方式，雖然效果明顯，但是都存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象短暫且無法記錄的硬傷，如果此時(shí)再快速地進(jìn)入到理論分析階段，必然導(dǎo)致學(xué)生概念模糊，本質(zhì)理解困難。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

鑒于以上分析，筆者自制了模擬電梯運(yùn)行的簡(jiǎn)易裝置[2]，并利用DIS力學(xué)傳感器及谷歌開發(fā)的一款智能手機(jī)APP“科學(xué)日志”來記錄物體運(yùn)動(dòng)過程中相關(guān)的力和加速度，這樣就可以把物理學(xué)量以圖像的形式直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，此時(shí)再結(jié)合圖像并進(jìn)行理論分析就必然會(huì)起到良好的效果。

二、自制模擬電梯運(yùn)行裝置

（一）所需實(shí)驗(yàn)器材

自制木架（高1.4 m，底座規(guī)格：寬36cm，長(zhǎng)60cm，橫梁間距50cm）、定滑輪2個(gè)（間距40cm）、砝碼（200g）、重錘（315.8g）、力學(xué)傳感器（48.5g）、塑料夾子（28g）、智能手機(jī)（245.3g）、緩沖海綿1塊、尼龍細(xì)繩若干。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置制作的選材及注意點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)中之所以采用木架主要出于兩方面考慮：1.整個(gè)裝置在運(yùn)行中必須足夠穩(wěn)定，采用木架既保證了穩(wěn)定性同時(shí)也兼具器材輕量化特性。2.木架便于制作，整個(gè)裝置只需要采用廢舊木料，然后用木工槍釘固定即可。

滑輪間距要考慮到物體與豎直木板的距離，否則手機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中若出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)會(huì)觸及木板導(dǎo)致摩擦，影響實(shí)驗(yàn)圖像。

夾子首先在選材上要考慮其質(zhì)量，否則裝置右側(cè)重物過重會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過程縮短記錄圖像不清晰。其次實(shí)驗(yàn)中，最好在夾子的兩端固定海綿膠，這樣可以保證手機(jī)在運(yùn)行中盡量地保持水平狀態(tài)，以便得到最佳的實(shí)驗(yàn)圖像。

緩沖海綿在實(shí)驗(yàn)中也起到非常重要的作用，其厚度不宜過厚（本實(shí)驗(yàn)采用的厚度為2cm），否則會(huì)導(dǎo)致左側(cè)重物落地時(shí)有反彈現(xiàn)象，造成物體間的碰撞影響實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1

三、“科學(xué)日志”軟件介紹

“科學(xué)日志”是一款由谷歌開發(fā)的智能手機(jī)APP，該款A(yù)PP使用手機(jī)內(nèi)置的傳感器記錄聲音、光、運(yùn)動(dòng)，并將信號(hào)轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)據(jù)。目前該款應(yīng)用只有安卓版，可以選擇中文界面。“科學(xué)日志”具有3大功能：測(cè)量光的照度，聲音的強(qiáng)度，運(yùn)動(dòng)的加速度（分x、y、z 三個(gè)方向）。測(cè)量原理APP中均有介紹。這里對(duì)測(cè)量加速度的原理進(jìn)行一下簡(jiǎn)介：智能手機(jī)內(nèi)部裝有加速計(jì)傳感器，加速計(jì)內(nèi)部有處于懸浮狀態(tài)的微粒，微?？梢宰杂梢苿?dòng)，當(dāng)手機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也隨之變化，通過計(jì)算微粒的移動(dòng)情況，手機(jī)中的加速計(jì)可以檢測(cè)自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向變化?！翱茖W(xué)日志”操作容易，選擇測(cè)量功能后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，即可自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)用圖像直觀顯示，而且可以讀取各個(gè)時(shí)刻測(cè)量的數(shù)據(jù)。

在本實(shí)驗(yàn)中，筆者主要使用的是“加速計(jì)Z軸”傳感器，之所以使用該方向的傳感器，主要是因?yàn)樗梢詫?shí)時(shí)記錄手機(jī)在豎直方向的運(yùn)動(dòng)情況而不受其水平及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，這樣就可以在一定程度上減少該實(shí)驗(yàn)的誤差?！凹铀儆?jì)Z軸”傳感器簡(jiǎn)介如圖2。鑒于重力加速度的影響，“加速計(jì)Z軸”傳感器在手機(jī)水平靜止放置時(shí)就會(huì)顯示數(shù)字9.8m/s2。在實(shí)驗(yàn)中，我們可以將手機(jī)處在水平穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)顯示的加速度數(shù)值（筆者實(shí)驗(yàn)時(shí)手機(jī)所顯示的當(dāng)?shù)丶铀俣葹?.9m/s2）默認(rèn)為調(diào)零值，如圖3所示。

四、實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)裝置利用繩子對(duì)力學(xué)傳感器向上的拉力代替電梯地板對(duì)物體向上的支持力。通過改變實(shí)驗(yàn)裝置左側(cè)的物體配重來達(dá)到模擬電梯運(yùn)行中加速上升，減速上升及加速下降，減速下降的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并通過DIS力學(xué)傳感器及智能手機(jī)來記錄物體在運(yùn)動(dòng)過程中力的大小及加速度的方向來探究超重與失重現(xiàn)象的本質(zhì)。原理如圖4、圖5。

五、實(shí)驗(yàn)操作過程

1.用約3m的尼龍細(xì)繩將砝碼m1與重錘m2及右側(cè)傳感器和手機(jī)按圖1所示進(jìn)行連接。為了保證加速與減速有合理的時(shí)間，砝碼m1與重錘m2之間的距離要適中（經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，兩者之間的距離為45cm效果較好）。

2.用手將裝置中左側(cè)重錘m2提升至距離地面約50cm處（此時(shí)砝碼m1距離地面約為95cm）。注意此時(shí)為了防止繩子的張力突變，需要待到整個(gè)裝置處于穩(wěn)定狀態(tài)后才可以釋放。根據(jù)配重的設(shè)計(jì)，左側(cè)砝碼m1與重錘m2質(zhì)量之和為518.5g大于裝置右側(cè)重物M（傳感器、塑料夾、智能手機(jī)）的質(zhì)量321.8g，可以帶動(dòng)其加速上升。

3.接著如圖5重錘m2接觸地面，此時(shí)砝碼m1與重錘m2之間的連接繩已處于松弛狀態(tài)，其作用力為零。裝置左側(cè)砝碼m1的質(zhì)量為200g小于裝置右側(cè)重物M的質(zhì)量。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析可知，此時(shí)右側(cè)重物M處在減速上升狀態(tài)。

六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖像觀察

由以上實(shí)驗(yàn)過程，我們發(fā)現(xiàn)模擬電梯運(yùn)行的簡(jiǎn)易裝置可以通過一次釋放完成兩個(gè)不同狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)過程。這時(shí)，我們對(duì)DIS力學(xué)傳感器及手機(jī)中“科學(xué)日志”APP記錄的相關(guān)物理學(xué)量進(jìn)行比較和分析。實(shí)驗(yàn)圖像如圖6。

首先我們觀察圖像，需要向?qū)W生解釋說明的是：計(jì)時(shí)開始時(shí)物體并沒有運(yùn)動(dòng)，此時(shí)整個(gè)裝置處在水平穩(wěn)定狀態(tài)。裝置右側(cè)重物上升過程大約開始于第6秒結(jié)束于第7.5秒，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間近1.5秒。圖像后面的鋸齒狀已經(jīng)是右側(cè)重物處在震動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)的圖像是無意義的，可以忽略。

接著帶領(lǐng)學(xué)生觀察力的圖像，由圖像可以看出，物體在上升過程中，傳感器所測(cè)量的繩子拉力出現(xiàn)了大于和小于物體本身重力的數(shù)值（這里如果學(xué)生未使用過力的傳感器就還需要介紹下傳感器的調(diào)零過程，由于筆者之前已經(jīng)在牛頓第三定律時(shí)演示過力學(xué)傳感器，所以此處未做過多介紹），此時(shí)再引出超重與失重的概念，學(xué)生就會(huì)欣然地接受這樣的過程。

理解了超重與失重的概念之后，再帶領(lǐng)學(xué)生觀察手機(jī)所記錄的加速度圖像，講解圖像中由于重力加速度的影響，顯示的原始值為9.9m/s2，在本實(shí)驗(yàn)中我們需要把這個(gè)數(shù)值當(dāng)作調(diào)零值。那么，當(dāng)圖像出現(xiàn)在調(diào)零值得上方時(shí)為正值代表此時(shí)的加速度方向向上，反之則表示加速度方向向下。

最后，我把兩幅圖放在一起投影到教室的交互大屏上，將力的圖像與加速度圖像進(jìn)行對(duì)比分析。此時(shí)，可以放手讓學(xué)生去自主分析得出：當(dāng)物體的加速度向上時(shí)會(huì)出現(xiàn)超重現(xiàn)象，加速度向下時(shí)會(huì)出現(xiàn)失重現(xiàn)象。因?yàn)閳D像的直觀記錄以及對(duì)比分析，學(xué)生會(huì)很輕松得出上述結(jié)論。之后，我向?qū)W生表示以上為我們實(shí)驗(yàn)觀察的定性結(jié)果，還需要我們加以理論的驗(yàn)證，看看是否可以通過理論探究也得到同樣的結(jié)論。此時(shí)，學(xué)生的探究積極性已經(jīng)被充分調(diào)動(dòng)。很快，學(xué)生在我的引導(dǎo)下用牛頓運(yùn)動(dòng)定律理論得出了產(chǎn)生超重與失重的原因。接著我再加以分部引導(dǎo)學(xué)生思考三個(gè)問題：1.物體下降過程中是否也會(huì)出現(xiàn)類似的超重與失重現(xiàn)象？2.物體的超重與失重現(xiàn)象是否與速度（運(yùn)動(dòng)）方向有關(guān)？3.綜合以上兩個(gè)問題，你能否總結(jié)出物體會(huì)在什么情況下分別出現(xiàn)超重與失重現(xiàn)象？這樣的課堂教學(xué)就遵循了“發(fā)現(xiàn)問題——實(shí)驗(yàn)探究——理論驗(yàn)證——總結(jié)歸納”的探究過程，也符合學(xué)生對(duì)于新知識(shí)的認(rèn)知構(gòu)建。

七、總結(jié)與反思

（一）本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的創(chuàng)新之處

1.改進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。本節(jié)課通過對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的觀察和圖像分析，讓學(xué)生可以自主得出相關(guān)結(jié)論而不是被迫地接受新知識(shí)。

2.實(shí)驗(yàn)儀器制作簡(jiǎn)單。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的制作可以說十分簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)材料選擇廢舊木料也充分地體現(xiàn)了廢物利用的思想。

3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀可信。由于采用了以上的實(shí)驗(yàn)方式，讓超重與失重這個(gè)相對(duì)比較短暫的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象得以記錄。而且，在教室里當(dāng)場(chǎng)演示也讓這個(gè)實(shí)驗(yàn)比學(xué)生觀看的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)視頻更加有可信度和說服力。

4.與信息技術(shù)相結(jié)合。本實(shí)驗(yàn)的最大亮點(diǎn)是將信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)完美結(jié)合，通過力傳感器與手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)了將短暫的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變?yōu)楹憔玫膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（二）本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的遺憾之處

展現(xiàn)過程不完全。本實(shí)驗(yàn)的最大遺憾之處是：當(dāng)右側(cè)重物下降時(shí)，左側(cè)本來已經(jīng)落地的重錘m2被突然拉起時(shí)，繩子間的張力會(huì)發(fā)生突變，這就造成重物減速下降過程演示效果不理想，不能得到較為完美的圖像。

八、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的一點(diǎn)感悟

物理教學(xué)應(yīng)體現(xiàn)其基本特征：以創(chuàng)設(shè)問題情境為切入點(diǎn)，以觀察實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，以提升學(xué)生思維能力為核心，以培養(yǎng)學(xué)生探究能力為重點(diǎn)。超重與失重的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在創(chuàng)設(shè)問題情境和實(shí)驗(yàn)觀察及理論探究上做了精心設(shè)計(jì)，保留了傳統(tǒng)的對(duì)電梯內(nèi)超重與失重問題的探究，將復(fù)雜的電梯裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以便在課堂上可以直接對(duì)學(xué)生進(jìn)行展示，提高了該實(shí)驗(yàn)的說服力。通過信息技術(shù)的利用，將直觀的實(shí)驗(yàn)圖像或數(shù)據(jù)展現(xiàn)在教室的交互一體機(jī)大屏上，提升了實(shí)驗(yàn)觀察效果。整節(jié)課的教學(xué)中以學(xué)生為主體，自主觀察、總結(jié)歸納、理論探究、得出結(jié)論。極大地提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

在對(duì)信息技術(shù)與物理教學(xué)相整合時(shí)，必須考慮有效性和可行性。在實(shí)際教學(xué)過程中，筆者運(yùn)用了交互性電子白板課件“希沃白板5”、視頻展臺(tái)及DIS信息技術(shù)等手段，電腦等USB接口都布滿了數(shù)據(jù)線，由于各種技術(shù)手段切換頻率較高，若稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致操作出錯(cuò)，這就需要教師對(duì)各種技術(shù)能熟練操作使用并具備當(dāng)場(chǎng)解決多媒體技術(shù)問題的能力。在應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)輔助教學(xué)的探索之路上，對(duì)多樣實(shí)驗(yàn)器材及多種信息化技術(shù)的優(yōu)化整合，是一個(gè)值得思考與實(shí)踐的大問題。

參考文獻(xiàn)

[1]人民教育出版社。普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）[M].北京：人民教育出版社，2003：12.

[2]王震，汪玉瑩.自制模擬電梯演示儀，理解超重失重概念[J].物理教師，2017，38（8）：45-47，45.

[3]朱敏亮，肖化.基于滑輪組的超重失重演示儀[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015（15）：29-30.

[4]弭寶國(guó)，王碩軍.對(duì)超重、失重演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].大學(xué)物理，2006，25（5）：32-33.