數(shù)字實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的融合

數(shù)字實(shí)驗(yàn)與高中物理實(shí)驗(yàn)融合，是高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，現(xiàn)以人教版高中物理必修一第三章“斜面物體重力分解”為例，對(duì)數(shù)字實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)融合的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探究。

一、問(wèn)題的提出

斜面物體重力分解問(wèn)題在物理中具有特殊意義，大量動(dòng)力學(xué)問(wèn)題由此衍生。然而，眾多學(xué)生認(rèn)為斜面物體重力分解是“分解為平行斜面方向的分力和垂直壓彎斜面的分力”。此外，教材中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還存在以下弊端：

（一）不能直觀展示物體重力在垂直斜面方向分力的變化情況。

（二）通過(guò)采集若干離散靜態(tài)點(diǎn)位置數(shù)據(jù)得出的結(jié)論不具有普遍性。連續(xù)變化的斜面傾角會(huì)導(dǎo)致平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力發(fā)生變化，該變化規(guī)律通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法得知。

二、數(shù)字實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

借助數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可使實(shí)驗(yàn)過(guò)程由靜態(tài)轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)，數(shù)據(jù)采集由離散轉(zhuǎn)向連續(xù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、定量的實(shí)驗(yàn)效果。

三、數(shù)字實(shí)驗(yàn)分析

用細(xì)繩取代輕彈簧，使小車在薄壁彈性金屬斜面位置不發(fā)生改變，將壓力傳感器觸桿與薄壁彈性金屬斜面垂直，通過(guò)調(diào)零消除斜面和小車對(duì)傳感器的作用。

打開(kāi)艾迪生數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)軟件，在“數(shù)據(jù)列表”新增數(shù)據(jù)列-F1、F12+F22兩列。調(diào)節(jié)斜面傾角，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，系統(tǒng)自動(dòng)記錄任意時(shí)刻、不同傾角、僅“配重”所受重力在平行斜面方向分力F1、垂直斜面方向分力F2，以及-F1、F12+F22兩列；并在“圖區(qū)”呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的圖像。經(jīng)數(shù)據(jù)與圖像分析發(fā)現(xiàn)：

1.在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，對(duì)于任意角度，兩個(gè)壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)F12+F22幾乎與“配重”G2大致相等。

2.調(diào)節(jié)底座旋鈕，使斜面傾角在30°～65°之間連續(xù)變化，點(diǎn)擊“開(kāi)始”，壓力傳感器采集參數(shù)，同時(shí)右方圖區(qū)呈現(xiàn)平行斜面方向和垂直斜面方向兩個(gè)分力隨傾角的變化情況，以及由數(shù)據(jù)展現(xiàn)的規(guī)律，并對(duì)圖像進(jìn)行“曲線”擬合，如圖2所示。

由此可得出結(jié)論：

1.斜面物體重力在任何時(shí)刻均可分解為平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力，兩個(gè)分力的平方和與重力平方大小相等。

2.斜面傾角θ增大，平行斜面方向分力變大，垂直斜面方向分力變小，但兩個(gè)分力大小變化并非呈線性變化。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，沿平行斜面方向和垂直斜面方向建立坐標(biāo)系，將重力G沿兩個(gè)坐標(biāo)軸方向分解為G1和G2，計(jì)算得到G1=Gsinθ、G2=Gcosθ。

對(duì)“斜面物體重力分解”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字實(shí)驗(yàn)融合，不僅可以幫助學(xué)生觀察重力在平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力及離散的變化情況，還能定量觀察這兩個(gè)分力隨傾角連續(xù)變化的情況，促使學(xué)生在實(shí)踐與觀察中，將思維認(rèn)知從唯象進(jìn)入唯理，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，提高科學(xué)探究能力。