利用DIS探究杠桿的平衡條件①

陳美琴 錢建和

(1. 江蘇省南京市第二十九中學(xué)柳洲東路分校,江蘇 南京 210031;2. 江蘇省泰州市鳳凰小學(xué),江蘇 泰州 225400)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》指出:“教師要充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì),將信息技術(shù)有效融入物理教學(xué),創(chuàng)新教學(xué)方式,提升教學(xué)效率。同時(shí),應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生將信息技術(shù)運(yùn)用到物理學(xué)習(xí)中,幫助學(xué)生適應(yīng)數(shù)字化時(shí)代的要求,提升學(xué)生運(yùn)用信息技術(shù)的能力。”數(shù)字化是信息技術(shù)發(fā)展的時(shí)代特征,將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),可增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)釆集的實(shí)時(shí)性。在有的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難收集、實(shí)驗(yàn)效果差及教學(xué)效率低的現(xiàn)象,究其原因,是部分教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,只關(guān)注實(shí)驗(yàn)本身如何做,而忽視了科學(xué)思維和探究能力的培養(yǎng)。如何使實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)揮其應(yīng)有的核心素養(yǎng)培養(yǎng)功能呢?本文以“探究杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例,進(jìn)行深入探討。

1 DIS簡介

數(shù)字化信息系統(tǒng)(Digital Information System,簡稱DIS)的基本構(gòu)成是傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)。傳感器是將非電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號(hào)的器件,可測(cè)量力、位移、溫度、光、電壓、電流等物理量。數(shù)據(jù)采集器將傳感器采集到的各種電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)通過應(yīng)用軟件進(jìn)行分析處理,并以多種形式實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。DIS傳感器可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量儀器對(duì)多種物理量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理與分析。

2 DIS在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

利用DIS進(jìn)行“探究杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)教學(xué),使學(xué)生經(jīng)歷提出問題、尋找證據(jù)、解釋證據(jù)的過程,培養(yǎng)他們的科學(xué)思維和探究能力。

2.1 做真實(shí)驗(yàn),提出真問題

蘇科版初中物理教材對(duì)“探究杠桿的平衡條件”提供了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置,在新授課時(shí)筆者為學(xué)生提供器材,讓學(xué)生自主探究。有的學(xué)生很自信地按步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn),然而做完實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),并沒有得到“F1l1=F2l2”的結(jié)論。學(xué)生按正確的實(shí)驗(yàn)步驟做“真實(shí)驗(yàn)”卻得不到“真結(jié)論”,引發(fā)了學(xué)生思考。學(xué)生通過觀察、思考,發(fā)現(xiàn):在本實(shí)驗(yàn)中彈簧測(cè)力計(jì)是倒置使用,有的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)前沒有正確調(diào)零,影響了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖1

2.2 引入DIS,改進(jìn)探究教學(xué)

由于彈簧測(cè)力計(jì)調(diào)零中出現(xiàn)的問題,影響了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,筆者考慮將DIS引入探究教學(xué)中,用力傳感器代替彈簧測(cè)力計(jì),可簡化調(diào)零過程,使學(xué)生專注于杠桿平衡條件的探究。

教師提問:能否用其他器材替換彈簧測(cè)力計(jì)?在“力的作用是相互的”的學(xué)習(xí)中使用過力傳感器的學(xué)生提出:可以用DIS的力傳感器替代彈簧測(cè)力計(jì)。

教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生利用力傳感器探究杠桿的平衡條件,具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 將力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器,調(diào)節(jié)杠桿上的平衡螺母使杠桿在水平位置平衡,利用DIS的“調(diào)零”功能將力傳感器調(diào)零。

(2) 如圖2所示,將鉤碼掛在杠桿上,設(shè)力傳感器對(duì)杠桿的拉力為動(dòng)力,鉤碼對(duì)杠桿的拉力為阻力,杠桿在水平位置平衡時(shí),讀出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):F11=1.0 N,F21=2.0 N,l11=10.0 cm,l21=5.0 cm。

圖2

(3) 如圖3所示,不改變鉤碼的質(zhì)量和位置,改變動(dòng)力臂的大小,杠桿在水平位置再次平衡時(shí),讀出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):F12=2.0 N,F22=2.0 N,l12=5.0 cm,l22=5.0 cm。

圖3

(4) 多次改變鉤碼的質(zhì)量和位置以及力傳感器的掛放位置,讀出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過歸納總結(jié),得出杠桿的平衡條件。

筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),學(xué)生在熟悉DIS操作的基礎(chǔ)上,只需要每次固定好力傳感器的位置,加減鉤碼或者移動(dòng)鉤碼的位置,就能較快地完成該實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)記錄方便快捷,最終通過分析、歸納,學(xué)生能順利得出結(jié)論:在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),動(dòng)力乘以動(dòng)力臂等于阻力乘以阻力臂。

用力傳感器替代彈簧測(cè)力計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生能夠體驗(yàn)到,固定好力傳感器,不但能正確校零,還方便操作,深化學(xué)生對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí),利用DIS軟件能直接顯示動(dòng)力的大小,可減小動(dòng)力的讀數(shù)誤差。

3 DIS在課堂作業(yè)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中融合DIS探究出杠桿的平衡條件后,筆者布置的課堂作業(yè)是:利用力傳感器演示在動(dòng)力臂和阻力臂一定時(shí)動(dòng)力和阻力的關(guān)系,分析實(shí)驗(yàn)圖像,進(jìn)一步探究杠桿的平衡條件,實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 在數(shù)據(jù)采集器上同時(shí)接入兩只力傳感器,左側(cè)力傳感器固定在距離支點(diǎn)5 cm位置,右側(cè)力傳感器固定在距離支點(diǎn)10 cm位置。同時(shí)對(duì)兩個(gè)力傳感器進(jìn)行調(diào)零。調(diào)節(jié)杠桿兩端的平衡螺母,使杠桿在水平位置平衡。

(2) 運(yùn)用DIS的“組合圖線”功能,設(shè)置橫軸為右側(cè)力傳感器的示數(shù)F1,縱軸為左側(cè)力傳感器的示數(shù)F2。

(3) 學(xué)生1豎直向下拉左側(cè)力傳感器同時(shí),學(xué)生2豎直向下拉住右側(cè)力傳感器,確保杠桿保持在水平位置平衡,DIS會(huì)繪出F1-F2圖像(圖4)。

圖4

筆者提出了以下問題:(1) 如何從實(shí)驗(yàn)記錄的圖像上找到杠桿平衡條件的證據(jù)?(2) 如何繼續(xù)實(shí)驗(yàn),使實(shí)驗(yàn)規(guī)律具有普遍性?

通過課堂作業(yè)的完成,助力學(xué)生理解、掌握杠桿的平衡條件。

4 結(jié)語

從上述課堂教學(xué)活動(dòng)來看,學(xué)生的思維活動(dòng)是從真做實(shí)驗(yàn)開始的,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的異常引發(fā)了學(xué)生的思考,進(jìn)而引入DIS,使學(xué)生專注于杠桿平衡條件的探究。利用DIS做實(shí)驗(yàn),能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為抓手,引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)探究過程,有助于學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)規(guī)律,進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。