基于信息技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

摘 要：本文以“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”一節(jié)的教學(xué)為例，分享了筆者基于信息技術(shù)而創(chuàng)新設(shè)計(jì)的兩個(gè)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)，旨在展示信息技術(shù)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新方面的重要價(jià)值，啟發(fā)更多教師利用信息技術(shù)幫助學(xué)生突破學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；位移傳感器；頻閃照相；動(dòng)量守恒定律

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中指出，要重視科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和信息技術(shù)的應(yīng)用。^［1］“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”是2019年人教版高中物理教科書(shū)（以下簡(jiǎn)稱“新教材”）選擇性必修第一冊(cè)第一章第4節(jié)的內(nèi)容，該實(shí)驗(yàn)是學(xué)生必做的實(shí)驗(yàn)之一。^［2］《課程標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于本節(jié)的學(xué)業(yè)要求是“通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)，理解動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律，能用其解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象?！?sup>［^3］教材通過(guò)“研究氣墊導(dǎo)軌上滑塊碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”和“研究斜槽末端小球碰撞時(shí)的動(dòng)量守恒”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。^［4］

本文從實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和拓展的角度，提出三個(gè)問(wèn)題。第一，如何通過(guò)對(duì)相互作用過(guò)程中的系統(tǒng)動(dòng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中“動(dòng)量守恒”這一現(xiàn)象呢？第二，如何通過(guò)對(duì)兩個(gè)物體碰撞過(guò)程的時(shí)間和作用力大小的定量分析，說(shuō)明碰撞時(shí)間極短，內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力，滿足動(dòng)量守恒定律的條件呢？第三，如何對(duì)生活中常見(jiàn)的二維碰撞現(xiàn)象進(jìn)行探究，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用動(dòng)量守恒定律解決實(shí)際問(wèn)題的能力呢？

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。其一，采用位移傳感器記錄兩個(gè)小車相互作用過(guò)程的時(shí)間和速度來(lái)驗(yàn)證一維碰撞過(guò)程中的動(dòng)量守恒定律，并根據(jù)動(dòng)量定理和牛頓第二定律定量計(jì)算出碰撞過(guò)程中的內(nèi)力和外力大小，進(jìn)行誤差分析。其二，采用頻閃照相記錄臺(tái)球二維碰撞的位置信息，通過(guò)對(duì)頻閃照片的分析，驗(yàn)證臺(tái)球在二維碰撞前、后動(dòng)量守恒。

2 基于位移傳感器對(duì)“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

2個(gè)PASCO PS-2103A型位移傳感器、1個(gè)數(shù)據(jù)采集器、2個(gè)前端帶有魔術(shù)貼且后面粘有自制擋片的CO推車、1個(gè)1.2m 鋁制軌道、1個(gè)250g砝碼、1臺(tái)筆記本電腦、1個(gè)電子秤。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

一個(gè)系統(tǒng)，在滿足動(dòng)量守恒定律的條件下，不僅系統(tǒng)內(nèi)的物體在相互作用前、后動(dòng)量保持守恒，而且在整個(gè)相互作用過(guò)程中，系統(tǒng)的總動(dòng)量也始終守恒。

因此，只要用電子秤測(cè)量小車的質(zhì)量，用兩個(gè)PASCO PS-2103A型位移傳感器記錄兩輛小車碰撞過(guò)程中的速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，就可以驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

步驟一，用電子秤測(cè)量不加砝碼和加砝碼時(shí)兩輛小車的質(zhì)量。

步驟二，安裝實(shí)驗(yàn)裝置。首先，把軌道放置在水平桌面上，兩個(gè)位移傳感器固定在導(dǎo)軌兩端。然后，把兩個(gè)不加砝碼的小車放在軌道上，分別靠近左、右兩個(gè)傳感器，將傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器，再將數(shù)據(jù)采集器連接到筆記本電腦，同時(shí)接通數(shù)據(jù)采集器電源。最后，打開(kāi)PASCO軟件界面，設(shè)置采樣頻率為50Hz，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為左、右兩車的速度，以向左為正方向。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

步驟三，單擊記錄按鈕，用手推動(dòng)A車。當(dāng)A車運(yùn)動(dòng)一段距離后和B車發(fā)生完全非彈性碰撞，導(dǎo)致兩車粘連并共同運(yùn)動(dòng)，隨后停止記錄。

步驟四，在筆記本電腦上，通過(guò)調(diào)整橫、縱坐標(biāo)的縮放比例，找到碰撞過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)，隨后點(diǎn)擊添加坐標(biāo)工具來(lái)選取并標(biāo)記六組關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

步驟五，將選取的數(shù)據(jù)輸入Excel表格，并對(duì)比這些數(shù)據(jù)以驗(yàn)證碰撞過(guò)程中系統(tǒng)的動(dòng)量是否守恒。

步驟六，把 250g的砝碼放在A車上面，重復(fù)步驟二至步驟四。

步驟七，進(jìn)行誤差分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

使用電子秤測(cè)量出兩個(gè)小車的質(zhì)量，未加砝碼時(shí)兩個(gè)小車的質(zhì)量均為267.9g，加砝碼后A車的總質(zhì)量為516.2g。

2.4.1 等質(zhì)量碰撞

軟件記錄了運(yùn)動(dòng)的小車碰撞質(zhì)量相同的靜止小車（等質(zhì)量一動(dòng)碰一靜），碰后兩小車粘在一起運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。全過(guò)程速度—時(shí)間圖像如圖2所示，經(jīng)過(guò)放大后，碰撞過(guò)程中的速度—時(shí)間圖像如圖3所示，圖2、圖3的縱坐標(biāo)都是速度（米/秒），橫坐標(biāo)是時(shí)間（秒）。

2.4.2 不等質(zhì)量碰撞

軟件記錄了帶砝碼的A車去碰撞不帶砝碼且靜止的B車，碰后兩車粘在一起運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。全過(guò)程的速度—時(shí)間圖像如圖4所示。

2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析

將等質(zhì)量一動(dòng)碰一靜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel表格，計(jì)算后的數(shù)據(jù)如表1所示。將不等質(zhì)量一動(dòng)碰一靜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel表格，計(jì)算后的數(shù)據(jù)如表2所示。其中，加砝碼后A車的總質(zhì)量M＝0.5162kg，未加砝碼時(shí)兩個(gè)小車的質(zhì)量分別為m＝0.2679kg。

從表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，碰撞過(guò)程中系統(tǒng)動(dòng)量一直守恒，由于速度精確度的選取只保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的系統(tǒng)動(dòng)量變化量在誤差范圍內(nèi)為0。通過(guò)多次對(duì)小車在水平軌道上運(yùn)動(dòng)情況的分析，得出小車與軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ≈0.003，則碰撞過(guò)程中加砝碼后的A車與未加砝碼的B車組成的系統(tǒng)受到的滑動(dòng)摩擦力f＝－μ（m＋M）g＝－0.023 5N ，m為B車質(zhì)量，M為加砝碼后的A車質(zhì)量。根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)，碰撞過(guò)程持續(xù)的時(shí)間t＝0.07s。以B車為研究對(duì)象，設(shè)它受的碰撞力（小車碰撞過(guò)程中的內(nèi)力）的平均值為F，根據(jù)動(dòng)量定理有Ft＝mv－0，v＝0.24m/s，計(jì)算出F＝0.918 5N。 對(duì)比內(nèi)力F和外力f ，可以發(fā)現(xiàn)碰撞過(guò)程中的內(nèi)力平均值約為外力的39倍，內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力，故滿足動(dòng)量守恒的條件。

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)上面的分析可知：利用魔術(shù)貼使兩個(gè)物體碰撞并結(jié)合在一起的過(guò)程非常迅速，時(shí)間在幾十毫秒左右；碰撞的內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力，內(nèi)力大約為外力的40倍；在滿足動(dòng)量守恒的條件下，系統(tǒng)在相互作用的過(guò)程中動(dòng)量守恒。

3 基于頻閃照相技術(shù)對(duì)“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

神牛V860三代機(jī)頂閃光燈、尼康D5300相機(jī)、三腳架、2個(gè)直徑為2.5cm的兒童臺(tái)球（白色C球和彩色D球）、1個(gè)黑色背景布和鐵架臺(tái)的鐵棍。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

采用頻閃照相技術(shù)記錄質(zhì)量均為m的臺(tái)球在碰撞前、后的位置變化。臺(tái)球經(jīng)過(guò)頻閃照片上相鄰兩個(gè)影像位置的時(shí)間t恒定，根據(jù)v＝xt可知，臺(tái)球的速度v與頻閃照片上相鄰兩個(gè)影像位置間的距離x成正比。當(dāng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的臺(tái)球（C球）去碰撞一個(gè)靜止的臺(tái)球（D球）時(shí)， 可以把m1v1＋m2v2＝m1v1′＋m2v2′這一矢量式化簡(jiǎn)為x₁＝x₁′＋x₂′，x₁表示碰撞前，碰撞球（C球）在頻閃照片上相鄰影像間的距離，x₁′表示碰撞后碰撞球（C球）在頻閃照片上相鄰影像間的距離，x₂′表示碰撞后，被碰球（D球）在頻閃照片上相鄰影像間的距離。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足該式，則說(shuō)明二維碰撞動(dòng)量守恒。

3.3 實(shí)驗(yàn)操作

步驟一，把黑色背景布放在平整的地面上，然后把兩個(gè)臺(tái)球放在背景布上，并使它們之間有一定的間距。

步驟二，把閃光燈安裝在相機(jī)上，再將相機(jī)固定在三腳架上，調(diào)整三腳架使相機(jī)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)球，以方便拍攝。

步驟三，把相機(jī)調(diào)為手動(dòng)模式，快門時(shí)間設(shè)置為1s，相機(jī)感光度（ISO）設(shè)置為500；閃光燈調(diào)為頻閃模式，頻率設(shè)置為10Hz。

步驟四，關(guān)閉燈光，拉上窗簾。一人用鐵架臺(tái)的鐵棍擊打C球，使其與D球發(fā)生碰撞；另一人同時(shí)按下快門進(jìn)行拍攝。

步驟五，檢查拍攝效果，直至成功記錄到清晰的臺(tái)球碰撞過(guò)程。

3.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

臺(tái)球碰撞的頻閃照片如圖5所示。把照片導(dǎo)入到電腦，并插入到Word中，可以清晰地發(fā)現(xiàn)由于背景布的影響，相鄰兩個(gè)C球影像間的距離減小，即C球的速度逐漸減小；C球與靜止的D球發(fā)生碰撞后，C球的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，同時(shí)靜止的D球開(kāi)始運(yùn)動(dòng)?；谏鲜龇治?，本文在圖中用白色的箭頭和文字標(biāo)出兩個(gè)臺(tái)球的運(yùn)動(dòng)情況。圖5中的D球在初位置時(shí)比較亮，是因?yàn)轭l閃光源發(fā)出的光多次打在其表面上，曝光比較足。

3.5 數(shù)據(jù)分析

把圖片導(dǎo)入Word里，觀察分析圖5中兩個(gè)臺(tái)球位置的變化情況，并標(biāo)記上計(jì)數(shù)點(diǎn)1到7，如圖6所示。

用x₁、x₁′、x₂′分別表示臺(tái)球從記數(shù)點(diǎn)1到2、3到4、6到7的位移。單擊word中的“插入”，選擇“形狀”里的“直線箭頭”，連接對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)，分別用來(lái)表示x₁、x₁′、x₂′。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)原理的表述，可以用兩個(gè)臺(tái)球位移的矢量關(guān)系式x₁＝x₁′＋x₂′來(lái)驗(yàn)證臺(tái)球在二維碰撞中的動(dòng)量是否守恒。復(fù)制三個(gè)直線箭頭，然后通過(guò)平移的方式進(jìn)行組合，觀察到它們可以組成矢量三角形（見(jiàn)圖7）。

根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，臺(tái)球在碰撞前、后有速度交換的情況發(fā)生，這說(shuō)明臺(tái)球之間的碰撞是彈性碰撞。

根據(jù)機(jī)械能守恒定律有

12m₁v²₁＝12m₁v′₁²＋12m₂v′₂² ，該式可以化簡(jiǎn)為x²₁＝x′₁²＋x′₂²。根據(jù)勾股定理可知，x₁′和x₂′的方向應(yīng)該相互垂直，但根據(jù)圖6中的矢量三角形可以發(fā)現(xiàn)它們并不垂直，利用量角器測(cè)得碰后兩臺(tái)球速度方向的角度約為73° 。

產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因可能有三個(gè)。第一個(gè)原因是臺(tái)球的常見(jiàn)材質(zhì)為酚醛樹(shù)脂，其恢復(fù)系數(shù)e接近1，而該實(shí)驗(yàn)用的是由樹(shù)脂和石粉合成的兒童臺(tái)球，恢復(fù)系數(shù)e＜1；第二個(gè)原因是臺(tái)球在黑色背景布上做減速運(yùn)動(dòng)，圖中選擇的位移并不能精確地反映碰撞前和碰撞后的瞬時(shí)速度；第三個(gè)原因是頻閃照相頻率比較低，但碰撞時(shí)間極短，導(dǎo)致相機(jī)并沒(méi)有拍攝出碰撞前和碰撞后瞬間臺(tái)球在頻閃周期內(nèi)的位移變化，給數(shù)據(jù)帶來(lái)了一定的誤差。

3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)圖6可以看出，兩個(gè)臺(tái)球在碰撞前、后滿足位移的矢量關(guān)系式，因此可以證明臺(tái)球在二維運(yùn)動(dòng)情境下的碰撞動(dòng)量守恒，且該碰撞是否是彈性碰撞與臺(tái)球的材質(zhì)有關(guān)。

4 基于信息技術(shù)“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的意義

第一，突破物理學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解和應(yīng)用。教師把利用位移傳感器探究物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度隨時(shí)間變化的規(guī)律的方法

應(yīng)用到驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)中。學(xué)生能夠從實(shí)驗(yàn)中清晰地觀察到兩車在碰撞前、后的速度變化情況，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證碰撞過(guò)程中動(dòng)量是否守恒。這樣的實(shí)驗(yàn)可為學(xué)生深入理解動(dòng)量守恒定律提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

第二，滲透STSE理念，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。該實(shí)驗(yàn)將學(xué)生感興趣的打臺(tái)球活動(dòng)與頻閃照相技術(shù)巧妙結(jié)合，使學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、信息技術(shù)知識(shí)與物理規(guī)律融為一體。這種結(jié)合方式有利于引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的物理規(guī)律應(yīng)用到實(shí)際生活中去，不僅激發(fā)了他們的科學(xué)學(xué)習(xí)興趣，還培養(yǎng)了他們的探究能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

第三，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的應(yīng)用能力。深度融合信息技術(shù)與物理學(xué)習(xí)，可使學(xué)生在面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)能夠提出更加直接且有效的實(shí)驗(yàn)方案，不再受限于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這種融合不僅能幫助學(xué)生更好地適應(yīng)信息化社會(huì)，還能促使他們主動(dòng)利用信息技術(shù)及工具快速地解決物理學(xué)習(xí)中的難題以及那些用常規(guī)方法難以完成的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生得以將信息技術(shù)與物理學(xué)習(xí)緊密結(jié)合，從而提升學(xué)習(xí)效率與解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

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