數(shù)字化實驗在高中物理力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略

王剛

摘 ? 要：當(dāng)前的高中新課程改革，不僅僅是對教學(xué)內(nèi)容的改革，更重要的是對教學(xué)方法、學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改革。將DIS實驗系統(tǒng)應(yīng)用于物理實驗教學(xué)，可較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的不足，實現(xiàn)力學(xué)實驗的數(shù)字化、動態(tài)過程的形象展示和實驗數(shù)據(jù)的實時捕捉等，這有利于強(qiáng)化學(xué)生對力學(xué)概念和規(guī)律的建構(gòu)，有利于提升學(xué)生的圖形能力，也有利于完善物理實驗的量化研究。

關(guān)鍵詞：高中物理;力學(xué)教學(xué);數(shù)字化實驗;圖形能力

中圖分類號：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1009-010X（2020）02-0057-06

在現(xiàn)行的高中物理教材中有許多地方都介紹了以傳感器為實驗器材進(jìn)行的物理實驗，同時在教學(xué)實踐中我們也不難發(fā)現(xiàn)，將DIS數(shù)字實驗系統(tǒng)引入課堂教學(xué)，對新課程的教學(xué)改革也起到了積極的促進(jìn)作用。力學(xué)教學(xué)在中學(xué)物理教學(xué)中具有非同一般的挑戰(zhàn)性，其原因首先在于力學(xué)是整個物理學(xué)體系的根基，是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的入門課;其次在于力學(xué)的教學(xué)過程不僅僅是知識的傳授過程，更是物理思維的訓(xùn)練過程和物理方法的形成過程，因此力學(xué)教學(xué)的優(yōu)化和改進(jìn)是中學(xué)物理教學(xué)改革的一項重要任務(wù)?！案咧形锢斫虒W(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實驗的策略研究”課題組，對DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)在高中力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用做了比較深入和有益的探索，以下對此進(jìn)行簡要介紹。

一、運用DIS實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)力學(xué)實驗的數(shù)字化

在傳統(tǒng)的力學(xué)實驗中，一般使用測力計進(jìn)行力的測量。測力計價格低廉、形象直觀、應(yīng)用非常廣泛，但其缺點也顯而易見：僅適用于靜態(tài)而不適用于動態(tài)測量;能測拉力而不能測壓力;支持“點測量”不支持“線測量”，缺乏過程監(jiān)控能力;另外測力計本身的精度、讀數(shù)等問題也限制了實驗的應(yīng)用。GQY-elab力傳感器（圖1）以工業(yè)級應(yīng)變片為核心部件，其將應(yīng)變片受力后因微弱形變而引發(fā)的電勢差轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)而得出測量結(jié)果，并實時顯示、記錄受力值，由此可描繪出“力——時間”圖線。

位移數(shù)據(jù)的實時測量填補(bǔ)了傳統(tǒng)力學(xué)實驗手段中的空白。GQY-elab位移傳感器（圖2）基于超聲波測距原理，能夠?qū)崟r測量運動物體的位移數(shù)據(jù)，并可實時繪出“位移——時間”圖線。此外教材專用軟件還提供了“速度——時間”“加速度——時間”圖線的轉(zhuǎn)換功能，其都較好地解決了與位移相關(guān)的諸多物理量的測量、分析難題。

利用光電門進(jìn)行力學(xué)實驗的精度可達(dá)到毫秒級，這已經(jīng)屬于“高技術(shù)”了。但是光電門測得數(shù)據(jù)后需手動記錄、存儲和導(dǎo)入方可計算、分析，這影響了實驗效率的提高。GQY-elab光電門傳感器（圖3）的優(yōu)勢，首先是測量、顯示和記錄的一體化功能，即擋光結(jié)束后，實驗數(shù)據(jù)即時呈現(xiàn)在軟件的計算表格之中;其次是便于計算和分析，計算表格內(nèi)置編譯器，可帶入復(fù)雜公式參與運算并支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel、Metlab等軟件;另外GQY-elab光電門的精度高出傳統(tǒng)光電門一個數(shù)量級，可達(dá)到微秒級，這使實驗教學(xué)的質(zhì)量又獲得提高。

二、動態(tài)過程形象展示，有利于學(xué)生理解、掌握概念和規(guī)律

某些物理現(xiàn)象的發(fā)生過程很快，因此并不容易被我們的目光所捕捉。比如在使用測力計測量最大靜摩擦力的實驗中，逐步增加對物塊的拉力，測力計的指針也隨之發(fā)生移動。在物塊將動未動的那一瞬間，指針達(dá)到最大值。物塊開始滑動之后，指針又馬上回落并保持在一個常數(shù)?？辞宄⒂涗洔y力計瞬間達(dá)到的最大值，是最大靜摩擦力實驗成敗的關(guān)鍵。實際上這只是理想狀態(tài)，因為很難看清測力計瞬間的變化。

學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過滑動摩擦力的概念，也做過有關(guān)滑動摩擦力的探究實驗。通過實驗教學(xué)，學(xué)生已經(jīng)知道了滑動摩擦力的大小與正壓力和接觸面的粗糙程度有關(guān)，并會運用控制變量法解決問題。在做實驗時，學(xué)生用彈簧秤水平方向拉動桌面上的物體，在拉動的一瞬間，彈簧秤的示數(shù)由大變小，該時間很短，因此記錄數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，即在實驗操作中出現(xiàn)了精確記錄數(shù)據(jù)的困難。

如何解決這個問題是“學(xué)生探究活動”順利開展的動力。根據(jù)不同的教學(xué)資源，針對該問題可給出兩種解決方案：一是改造彈簧秤指針，用可以隨之移動的卡子的最終位置來表示最大靜摩擦力的示數(shù);二是利用數(shù)字實驗室平臺與力學(xué)傳感器記錄實時數(shù)據(jù)。

就如何改進(jìn)裝置、提高實驗精度以及為學(xué)生的探究活動提供實驗器材，課題組成員進(jìn)行了多種嘗試，最終將“彈簧秤拉物塊”的實驗操作改進(jìn)為應(yīng)用固定物塊，然后拉動物塊下方的小車，即研究物塊與小車之間的最大靜摩擦力，并且選用數(shù)字實驗室平臺與力學(xué)傳感器以及局域網(wǎng)作為教學(xué)資源。為方便學(xué)生對影響最大靜摩擦力的因素進(jìn)行探究，課題組準(zhǔn)備了木板、白紙、毛巾等不同粗糙程度的界面作為接觸面，又準(zhǔn)備了鉤碼用以改變物體對車面的壓力（如圖4所示）。

根據(jù)已有的實驗器材進(jìn)行猜想，然后制定實驗方案并實施。如根據(jù)控制變量法，選用相同質(zhì)量的物塊與接觸面，然后改變接觸面積，測量最大靜摩擦力，如圖5所示。又如在保證物塊質(zhì)量和接觸面積不變的情況下改變接觸面的粗糙程度，然后記錄最大靜摩擦力的數(shù)值，如圖6所示。再如在保證接觸面的粗糙程度和接觸面積不變的情況下改變物塊質(zhì)量，然后記錄最大靜摩擦力的數(shù)值，如圖7所示。

獲得數(shù)據(jù)并不是探究實驗的最終環(huán)節(jié)，而是為歸納出新的物理規(guī)律提供實驗依據(jù)。學(xué)生根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)交流可歸納出新的物理規(guī)律。例如根據(jù)圖5，學(xué)生可總結(jié)歸納出：在物塊的質(zhì)量與接觸面的粗糙程度不變的情況下，在誤差允許的范圍內(nèi)，接觸面的大小與最大靜摩擦力無關(guān)。根據(jù)圖6，學(xué)生可總結(jié)歸納出：在物塊的質(zhì)量和接觸面積不變的情況下，接觸面越粗糙，最大靜摩擦力越大。根據(jù)圖7，學(xué)生可總結(jié)歸納出：在接觸面的粗糙程度與面積不變的情況下，物塊對接觸面的正壓力越大，最大靜摩擦力越大。

使用 GQY-elab傳感器進(jìn)行牛頓第三定律的教學(xué)，同樣可以取得令人滿意的效果。在實驗中，教師兩手各持一個力傳感器，向相反方向拉（如圖8所示）。觀察獲得的圖線，發(fā)現(xiàn)兩條圖線基本重合，這表示兩個力的大小是相等的。將其中一個傳感器的圖線設(shè)為“鏡像顯示”后重復(fù)實驗，可獲得以時間軸為中心上下對稱的兩條圖線（如圖9所示），保持“鏡像顯示”，輕輕地讓兩個傳感器相互擠壓，所獲得的兩條圖線仍然以時間軸為中心上下對稱，如此清晰地展示了牛頓第三定律。