巧借現(xiàn)代技術(shù) 妙學物理規(guī)律

齊國元

(杭州第四中學 浙江 杭州 310018)

曾裕

(杭州學軍中學 浙江 杭州 310012)

物理實驗是物理教學的重要教學手段，可以毫不夸張的說：“無實驗、不物理”.好的實驗設計能將復雜的物理知識直觀地呈現(xiàn)在學生面前，清晰的實驗現(xiàn)象(效果)能增強學生對物理知識的直觀感受，進而激發(fā)學生挖掘?qū)嶒灛F(xiàn)象背后的物理規(guī)律，有助于提升學生對物理知識的求知欲，有助于學生對物理規(guī)律的理解.傳統(tǒng)實驗的設計中蘊含著豐富的物理思想，折射出鮮活的物理規(guī)律，但是有些傳統(tǒng)實驗由于種種限制，實驗呈現(xiàn)效果不佳、實驗剖析力度不深使實驗在教學中的教學效果大打折扣.借助現(xiàn)代教育技術(shù)的特有優(yōu)勢為實驗教學提供大量的便捷方法和手段，當傳統(tǒng)實驗和現(xiàn)代技術(shù)邂逅，物理實驗效果呈現(xiàn)的更加完美，實驗內(nèi)涵的挖掘更加深入，物理規(guī)律的理解更加深刻，實驗現(xiàn)象與物理知識更加融合.傳統(tǒng)實驗和現(xiàn)代技術(shù)的完美融合讓物理實驗從“看不到”變得“看得到”；從“看不清”變得“看得清”；從“定性看”變成“定量看”.

1 巧用傳感技術(shù)將“看不到”變得“看得到”

案例一：“自感”教學中教材設計了一個斷電自感實驗,如圖1所示，讓學生用肉眼觀察圖1中的燈泡“閃亮一下再熄滅”.筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，由于教室空間的局限性，很難讓所有學生都能清楚地看到上述實驗現(xiàn)象，再加上由于缺少對比，實驗呈現(xiàn)效果不夠理想，更重要的是，學生無法通過觀察燈泡亮度的變化發(fā)現(xiàn)：“通過圖1中燈泡的電流方向發(fā)生改變”這一重要的物理規(guī)律.

圖1 教材中的斷電自感實驗電路圖

為了使實驗呈現(xiàn)效果更加的直觀清晰，筆者使用傳感器技術(shù)對“斷電自感”實驗進行改進.利用電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機信息處理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集處理，并把實驗結(jié)果直接用圖像形式呈現(xiàn)出來.具體設計如下：在圖1中燈泡上串接上一個電流傳感器，啟動數(shù)據(jù)采集器，斷開開關(guān)S，數(shù)據(jù)采集器采集流經(jīng)燈泡的電流信號，利用相關(guān)軟件直接畫出“i-t”圖像，實驗結(jié)果如圖2所示，從中可以清楚地觀察得出，流經(jīng)燈泡的電流在電鍵斷開的一瞬間突然變得更大，很好地解釋了燈泡會“閃亮一下再熄滅”，并且圖像中清楚地看到流經(jīng)燈泡的電流方向發(fā)生了改變.借用現(xiàn)代教育技術(shù)中的傳感器對實驗進行改進，讓傳統(tǒng)實驗中無法呈現(xiàn)的“電流反向”清楚地展現(xiàn)在學生面前，讓“燈泡閃亮一下再熄滅”更加具有說服力.

圖2 利用現(xiàn)代技術(shù)對“斷電自感”實驗改進得到的i-t圖像

傳感器技術(shù)有著靈敏捕捉信號、快速記錄數(shù)據(jù)、實時圖像顯示的強大功能，利用傳感器技術(shù)我們可以將傳統(tǒng)實驗中無法捕捉和記入的實驗數(shù)據(jù)實時動態(tài)地呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)暫態(tài)現(xiàn)象凝固化讓原先看不到的實驗現(xiàn)象變得看得到.

2 巧用手持技術(shù)將“看不清”變得“看得清”

案例二：在“牛頓第二定律瞬時性的研究”的教學中，為了向?qū)W生展示：“繩子拉力可以發(fā)生突變，彈簧彈力不能發(fā)生突變”，通常會設計一組演示實驗，具體如下：

圖3 實驗一圖

實驗一：已知物體A和B的質(zhì)量均為m，通過輕質(zhì)彈簧相連，整個系統(tǒng)處于靜止狀態(tài),如圖3所示，若突然撤去作用于繩子上的外力F，讓學生觀察實驗現(xiàn)象，而后分析撤去外力瞬間物體B的加速度？

實驗二：把A,B兩物體間的彈簧換成繩子，若突然撤去作用于繩子上的外力F，讓學生觀察實驗現(xiàn)象，而后分析撤去外力瞬間物體B的加速度？

筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，由于物體下落很快，學生很難憑借肉眼觀察到A,B兩物體的相對運動情況，進而分析物體B在撤去外力F瞬間的加速度.若能讓整個下落過程慢下來，這樣就能讓學生通過觀察下落過程中A,B兩物體的相對運動情況來分析撤去外力瞬間物體B的加速度，并通過對比體會繩子和彈簧的區(qū)別.利用現(xiàn)代智能手機中的“慢動作”拍攝，很好地達到上述效果，為了增強實驗的真實感，課堂上現(xiàn)場拍攝視頻，用現(xiàn)代教育技術(shù)中的同屏軟件，將手機屏幕同步到投影儀上，讓所有學生都能清楚的看到實驗現(xiàn)象，并且通過背景墻面的標記物可以利用視頻截取圖片進行定格分析.

圖4 物體A，B間用彈簧連接，撤去外力F前，A，B兩物體的位置

圖5 物體A，B間用彈簧連接，撤去外力F后，A，B兩物體的位置

圖6 物體A，B間用繩子連接，撤去外力F前A，B兩物體的位置

圖7 物體A，B間用繩子連接，撤去外力F后，A，B兩物體的位置

本次實驗改進利用現(xiàn)代技術(shù)中的“慢動作”很好地讓學生觀察到清晰的實驗現(xiàn)象，符合“先實驗探究、后理論分析”的認知順序.

3 巧用應用軟件將“定性看”變成“定量看”

案例三：在運動的合成與分解的教學中，教材設計了“紅蠟塊實驗”，意在通過學生觀察“紅蠟塊”的運動，來體會“分運動”“合運動”等概念，以及感受“合運動與分運動”之間的關(guān)系.在教學中我們發(fā)現(xiàn)由于“紅蠟塊”是動態(tài)運動的，且沒有留下運動軌跡，學生很難觀察出紅蠟塊“合運動”的運動情況，更不用說找到“合運動”與“分運動”之間的關(guān)系了.

為了解決這個問題，對傳統(tǒng)實驗進行優(yōu)化，利用現(xiàn)代教育技術(shù)中的“慢動作”拍攝，減緩紅蠟塊的運動速度，以便于學生進行實驗觀察.但是怎么樣讓學生體會“紅蠟塊”水平方向的勻速直線運動和豎直方向的勻速直線運動的合運動一定是勻速直線運動呢？并且知道合運動與分運動之間遵循平行四邊形定則呢？筆者在拍攝慢動作視頻的基礎上，利用Tracker軟件進行視頻的定量分析，很好地突破了上述教學難點.具體做法如下：

拍攝視頻1：將盛水玻璃管豎直放在小車上，用磁鐵將紅蠟塊(內(nèi)部插有鐵釘)吸在玻璃管底部，用同步電機(可用變頻電源調(diào)速)勻速拖動小車運動，使紅蠟塊在水平面做勻速運動，如圖8所示.

圖8 紅蠟塊水平勻速運動實驗

拍攝視頻2：關(guān)閉電機，移走管子上的磁鐵，釋放紅蠟塊，很快紅蠟塊將豎直向上做勻速直線運動，如圖9所示.

圖9 紅蠟塊豎直向上勻速運動實驗

拍攝視頻3：啟動電動機后，立即釋放紅蠟塊，使紅蠟塊一邊水平向右勻速運動，一邊向上做勻速運動，如圖10所示.

圖10 紅蠟塊合運動實驗

視頻分析:

(1)對視頻1分析(具體操作過程略去)

從x-t圖像(圖11)中我們發(fā)現(xiàn)，紅蠟塊在電機啟動階段做加速運動后很快做勻速運動，對x-t圖像進行線性擬合，得到紅蠟塊做勻速運動的速度為0.035 m/s.

圖11 紅蠟塊實驗視頻1的x-t圖像

(2)對視頻2進行分析(具體操作過程略去)

從y-t圖像(圖12)中我們發(fā)現(xiàn)，紅蠟塊在釋放初始階段做加速運動后很快做勻速運動，對y-t圖像進行線性擬合，得到紅蠟塊做勻速運動的速度為0.057 m/s.

圖12 紅蠟塊實驗視頻2的y-t圖像

(3)對視頻3分析(具體操作過程略去)

從x-t圖像中我們發(fā)現(xiàn)，紅蠟塊在釋放初始階段做加速運動后很快做勻速運動，對x-t圖像進行線性擬合，得到紅蠟塊做勻速運動的速度為0.067 m/s.

圖13 紅蠟塊實驗視頻3的x-t圖像

定量分析：驗證運動的合成與分解滿足平行四邊形定則,兩個分運動互相垂直，計算兩個分速度的平方和

合速度平方

得到

說明運動的合成滿足平行四邊行定則.

本次實驗改進利用現(xiàn)代技術(shù)中的“視頻編輯軟件”很好地讓學生體會到“合運動與分運動的關(guān)系”，感受到物理實驗和物理規(guī)律的完美契合.