DIS在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的輔助功能

張慧兒

摘要：隨著科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代教育技術(shù)有了長足發(fā)展。由計(jì)算機(jī)、物理數(shù)據(jù)采集儀、傳感器、應(yīng)用軟件等組成的數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）是一個(gè)完整的現(xiàn)代教育技術(shù)平臺(tái)。利用它多類型的傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器、多樣化的自主操控平臺(tái)以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集，可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以解決的問題，完成常規(guī)儀器難以完成的實(shí)驗(yàn)，難以驗(yàn)證的公式、定律，提高了測(cè)量精度和教學(xué)效果。本文就傳感器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用展開，以驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律為例說明DIS實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的輔助功能。

關(guān)鍵詞：傳感器;驗(yàn)證機(jī)械能守恒;高考試題

高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中明確要求：高中階段的物理課應(yīng)該更加關(guān)注學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解，提高在科學(xué)探究過程中的學(xué)習(xí)質(zhì)量和科學(xué)探究的能力?；贒IS的探究實(shí)驗(yàn)是學(xué)生主動(dòng)探究的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生通過使用不同類型的傳感器收集、分析和處理數(shù)字化信息來體驗(yàn)知識(shí)的產(chǎn)生和創(chuàng)造過程，進(jìn)而學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

在高中物理實(shí)驗(yàn)室里，這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要使用的儀器是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器配合紙帶重物完成，實(shí)驗(yàn)原理比較簡單，如何讓學(xué)生既明白實(shí)驗(yàn)原理及處理數(shù)據(jù)的方法，又在課堂上得出多組數(shù)據(jù)讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更有說服力呢？傳統(tǒng)教學(xué)有幾種處理方式：（1）課堂上先由理論得出結(jié)論（有的直接得出結(jié)論），并學(xué)會(huì)運(yùn)用定律，老師再另找一個(gè)課時(shí)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重物在自由下落過程中的機(jī)械能守恒。這種方法體現(xiàn)不出實(shí)驗(yàn)出真理的學(xué)科特點(diǎn)。（2）在課堂上給學(xué)生一段時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，得出結(jié)果后再用理論進(jìn)行驗(yàn)證。這種方法看起來非常完美，但在操作過程中時(shí)間拖拉很嚴(yán)重，麻煩的是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，實(shí)驗(yàn)操作部分不到一分鐘（重物下落本身很快），但實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理卻需要至少十分鐘，對(duì)于不能使用計(jì)算器計(jì)算能力不強(qiáng)又容易出錯(cuò)的學(xué)生來說，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出既慢又不準(zhǔn)確，如果需要多次測(cè)量，多次反復(fù)計(jì)算得出結(jié)論在課堂上是不符合實(shí)際的，得不出正確的結(jié)果。

二、利用DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)

如果我們利用DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就能克服數(shù)據(jù)處理的困難。我們根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，組合成適合自己教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”一課中的探究實(shí)驗(yàn)，利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)軟件重組了裝置，真正充分利用了DIS實(shí)驗(yàn)的快捷、方便，達(dá)到提高課堂教學(xué)效率、調(diào)動(dòng)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的熱情的目的。具體方法有：

1、利用自由落體驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

實(shí)驗(yàn)器材：光電門傳感器（2個(gè)），長金屬板軌道，細(xì)長形圓柱體重物1個(gè)。

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）按上圖把儀器裝備好。（2）讓重物從靜止開始下落，豎直地經(jīng)過兩個(gè)光電門傳感器。（3）事先在計(jì)算機(jī)里的相應(yīng)軟件上設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)公式，由計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。（4）重復(fù)前面步驟進(jìn)行多次測(cè)量。（5）根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：這個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器很簡單，操作不復(fù)雜，最大的特點(diǎn)是借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理，非常方便，避免人工處理的不準(zhǔn)確性，省時(shí)省力，把學(xué)生的注意力集中在實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析方面，學(xué)生興致非常高，可以進(jìn)行無數(shù)次的驗(yàn)證，這一方法能讓學(xué)生把對(duì)數(shù)學(xué)處理的恐慌降到最低，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的熱情。

注意事項(xiàng)：需要細(xì)心。如重物下落時(shí)務(wù)必保持豎直，否則容易撞到光電門。再者，重物選擇圓柱體，在下落時(shí)要平動(dòng)、不傾斜。否則容易使光電門測(cè)到的遮光長度比直徑長，那么測(cè)得的瞬時(shí)速度就會(huì)偏大，增加的動(dòng)能也偏大，這就是表格中會(huì)出現(xiàn)增加的動(dòng)能比減少的重力勢(shì)能大的原因。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，這是不可能出現(xiàn)的。

2、利用透明直尺和光電計(jì)時(shí)器來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

實(shí)驗(yàn)的簡易示意圖如下，當(dāng)有不透光的物體從光電門間通過時(shí)，光電計(jì)時(shí)器就可以顯示物體的擋光時(shí)間.所用的光電門傳感器可測(cè)得最短時(shí)間為0.01 ms.將擋光效果好、寬度為d=3.8×10-3 m的黑色磁帶貼在透明直尺上，從一定高度由靜止釋放，并使其豎直通過光電門.某次測(cè)得各段黑色磁帶通過光電門的時(shí)間Δti與圖中所示的高度差Δhi，計(jì)算并比較1點(diǎn)與各點(diǎn)之間的勢(shì)能變化大小 MgΔhi 與動(dòng)能變化大小ΔEk，并將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)果如下表所示.（取g=9.8 m/s2，注：表格中M為直尺質(zhì)量）

3、利用擺錘的下擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

實(shí)驗(yàn)方法：用如下圖所示的裝置）

讓擺錘自然下垂，觀察擺錘的質(zhì)心是否與標(biāo)尺盤的圓弧邊緣處于同一水平線，否則要對(duì)擺錘的系線進(jìn)行伸縮調(diào)整。將光電門置于標(biāo)尺盤的D點(diǎn)，此時(shí)光電門的接收孔應(yīng)當(dāng)與標(biāo)尺盤的圓弧邊緣處于同一水平線，將擺錘置于A點(diǎn)并釋放，通過D點(diǎn)的速度記錄在表格中。光電門置于B點(diǎn)，其接收孔位于B點(diǎn)的延長線上。測(cè)量B點(diǎn)的速度，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)計(jì)算”，得到各點(diǎn)的數(shù)據(jù)。將光電門先后置于D、C、B點(diǎn)，分別測(cè)量計(jì)算各點(diǎn)的勢(shì)能、動(dòng)能和機(jī)械能。計(jì)算并比較鋼球在釋放點(diǎn)和D點(diǎn)之間的勢(shì)能變化大小ΔEp與動(dòng)能變化大小ΔEk，就能驗(yàn)證機(jī)械能是否守恒。

釋放時(shí)注意手法要輕，不要讓擺錘釋放器發(fā)生移動(dòng)。提高擺錘的釋放高度，進(jìn)一步驗(yàn)證動(dòng)能、勢(shì)能的關(guān)系。各點(diǎn)的勢(shì)能和動(dòng)能可以轉(zhuǎn)化，但總的機(jī)械能不變。

理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：機(jī)械能基本一致。

4、利用氣墊導(dǎo)軌驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖丙所示，從與光電門連接的數(shù)字計(jì)時(shí)器（圖中未畫出）上讀出擋光條通過光電門1和光電門2的時(shí)間Δt1、Δt2，用天平測(cè)量出滑塊和擋光條的總質(zhì)量M及托盤和砝碼的總質(zhì)量m，用游標(biāo)卡尺測(cè)量出擋光條寬度l，從導(dǎo)軌標(biāo)尺上讀出兩光電門之間的距離L，則滑塊通過光電門1、2時(shí)系統(tǒng)的總動(dòng)能分別為Ek1=12（m+M）·lΔt12，Ek2=12（m+M）·lΔt22，而系統(tǒng)重力勢(shì)能的減少量ΔEp=mgL，如果ΔEp=Ek2-Ek1，則驗(yàn)證了機(jī)械能守恒定律.

三、總結(jié)與反思

在實(shí)際紙帶的計(jì)算中測(cè)量數(shù)據(jù)都是隨機(jī)的，計(jì)算量較大，如果用計(jì)算機(jī)和傳感器這個(gè)工具，會(huì)使學(xué)生的數(shù)據(jù)運(yùn)算量大大減小，也使數(shù)據(jù)比較變得容易，實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的顯示上形象直觀，有助于學(xué)生快速、準(zhǔn)確地理解物理概念，也有更多的時(shí)間來對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思考和改進(jìn)。這是物理與信息技術(shù)的結(jié)合。應(yīng)用計(jì)算機(jī)和傳感器處理數(shù)據(jù)是新課標(biāo)教材中體現(xiàn)的一個(gè)傾向，體現(xiàn)新課程的教育教學(xué)理念，也體現(xiàn)了DIS在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的輔助功能。DIS將數(shù)字化信息系統(tǒng)與高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行整合，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的各種弊端，成功開啟物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化 信息系統(tǒng)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的有效整合與超越。在教學(xué)過程中，我們應(yīng)該充分發(fā)揮信息化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，將DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)運(yùn)用到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增強(qiáng)學(xué)生的探究興趣，提高學(xué)生的信息化實(shí)驗(yàn)探究能力，構(gòu)筑信息化、高效化的物理課堂。

參考文獻(xiàn)

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