信息技術在中學物理教學中的應用實例

摘要：傳感器在某些物理實驗中有著不可替代的作用，因為某些實驗中的物理問題用傳統的實驗方法是無法解決的.以《探究加速度與力、質量的關系》為案例進行說明.

關鍵詞：傳感器；物理教學；實驗探究

基金項目：北京物理學會2018—2019年度教育科研立項課題“核心素養視角下培養中學生科學思維的課堂教學研究”（項目編號：WLXH1826）.

作者簡介：張曉（1970-），男，內蒙人，本科，中學高級教師，兼職教研員，研究方向：中學物理教法.

傳感器在中學物理教學中的應用越來越廣泛，用它來測量一些物理量準確、快捷，并且有著即時自動畫出圖象、實時對實驗數據進行處理的優點.傳感器甚至在某些物理實驗中有著不可替代的作用，因為某些實驗中的物理問題用傳統的實驗方法是無法解決的.筆者在處理《探究加速度與力、質量的關系》這節課時，雖然只是在解決一個很小的局部問題時用到了傳感器，但是這個問題長期以來困擾著許多物理教師，用傳統的實驗方法很不好解決，筆者用傳感器來說明這一問題，學生對這個問題就有了真實、深刻的認識，非常符合學生的認知規律.課后，聽課的教師們對這節課的評價是：傳感器的使用恰到好處，不僅解決了長期困擾教師在本節課中教學難點的處理問題，而且很好地體現了新課標所倡導的理念.

1對教材和學情的分析

修訂后的人教社必修（1）教材把牛頓第二定律安排在《探究加速度與力、質量的關系》之后，這不同于以往的老教材，主要是想通過對牛頓第二運動定律的探究過程來培養學生的探究能力和創新精神.本節課就是要體現新教材的這種思路，充分發揮學生的自主學習的能力，不斷解決在探究過程中遇到的困難，從而通過自己的努力得出牛頓第二定律.這不僅培養了學生多方面的能力，且完全符合學生的認知規律.長此以往，學生學習物理的興趣不僅會越來越濃厚，而且科學意識和探究能力也會變得越來越強.

由于這節課要求學生能夠先通過自己已有的知識來制定實驗探究方案，就必須考慮以下幾個問題：（1）探究三個量關系的可行性和必要性；（2）探究三個量的關系的基本方法；（3）如何測出m、F、a的大小；（4）根據現有的實驗條件選擇出合適的實驗方案.實際上，對于目前的高一學生來講，要解決以上四個問題確實不是易事，要想在短短的一節課里既把實驗方案制定出來，測量并得出定律是不太可能的.若這樣做的話，雖然感覺上課堂效率很高，是一堂完整的課，但是學生就不能在探究過程中得到一些重要的研究物理問題的方法，創新能力和解決新問題的能力也不會增強.又由于我校的學生基礎和能力不是很強，筆者把此次探究活動分為兩課時，使學生在探究的各個環節能充分思考、交流和討論，盡量解決探究過程中的困惑.這樣不僅能夠體現本節課中所蘊含的豐富的物理思想，而且能夠更好地培養學生良好的實驗思維習慣和技能.

2以往教學在此處的困惑

在處理“鉤碼的重力等于牽引小車的力嗎？”這個問題時，以往教師在處理這一問題時往往是先告訴學生“鉤碼的重力不等于牽引小車的力，鉤碼的重力越小則牽引小車的力越接近鉤碼的重力”這個結論，而學生對這個結論不甚理解，教師也不能很好地解釋，又不好用實驗驗證.實際上，教師這樣做也是不得已的辦法，因為在學生還不知道牛頓第二定律的情況下，教師很難給學生解釋清楚.然而學生若不知這個結論，就很有可能在這個實驗中不注意“鉤碼的重力越小牽引小車的力越接近鉤碼的重力”這個條件而得不出正確的實驗結論.新課標要求我們在教學中應特別體現方法和過程，重視探究過程的科學思想和方法的科學性.而且新的教材是讓學生通過實驗探究得出牛頓第二定律，在實驗探究過程中，應著重培養學生的探索精神和實驗技能，尤其是如何解決在探索物理問題的過程中出現的困難.基于以上的考慮，我們感覺到：學生在這個問題上存在著知識上的缺陷，不能用還沒有得出的規律來解決現有的問題，而直接告訴學生這個結論又不太好，不符合新課程的理念，但又不能避開這個現實的問題.實際上應用傳感器就能夠很好地處理這個問題.

3傳感器在本節課的第一課時中的具體應用

（1）學生對“鉤碼的重力等于牽引小車的力嗎？”這一問題的初步認識.根據二力平衡的知識學生可以確定，當鉤碼和小車一起加速運動時，細繩的拉力不等于鉤碼的重力.但是用鉤碼的重力代替牽引小車的力確實是一個不錯的辦法，很想使用.在這種現實的需求下，學生解決問題的愿望一下子變得強烈起來.

（2）筆者在這節課做了大膽的嘗試.先是用綁在小車上的彈簧秤來測量運動中小車受到的拉力大小.但是由于小車運動的速度大、時間短，不太容易對彈簧秤進行讀數，這種實驗方法實際上行不通.在探究活動受阻的情況下，用綁在小車上的力傳感器來演示說明其受到的拉力不等于重力，并得出在什么情況下近似等于牽引小車的力.

我的具體做法是：先用約為1N重的鉤碼牽引小車，用傳感器很快就能得出在運動中小車所受到的拉力為074N.當學生看到這一結論時都認為誤差太大，怎么辦？有學生提議用更重的鉤碼牽引小車，發現誤差更大了.接下來同學們自然就想到用較輕的鉤碼來牽引小車，發現這時誤差已很小了.通過自己的努力思索、積極探究，終于找到了解決問題的真正辦法.學生們是非常興奮的.在這里傳感器的好處和作用就很好地體現了出來，同時可以說明使用傳感器也不一定整堂課都用，也可以是在一個很小的局部物理問題上使用，同樣可以起到畫龍點睛、輔助教學的作用.

所以，本節課安排了這么一個演示實驗，這樣做，無疑是對學生日后科學探究活動提供方法上的指導，也改變了學生的思維觀念；同時，也培養了學生善于發現問題和解決問題的意識，并在解決問題的過程中能夠正確應用科學的思維方法和實驗方法.

[附件1：幾組實驗數據.】

（1）用095N重的鉤碼牽引小車

（2）用147N重的鉤碼牽引小車

（3）用047N重的鉤碼牽引小車

（4）用024N重的鉤碼牽引小車

[附件2：本節課的教案】

實驗：探究加速度與力、質量的關系（第一課時）

[教學目標】

1知識與技能：

（1）理解物體運動狀態的變化快慢，即加速度大小與力有關，也與質量有關；

（2）理解探究加速度與力和質量的關系的合理性和必要性；

（3）理解實驗思路的合理性.

2過程與方法：

（1）指導學生如何定量的探究加速度和力、物體質量的關系；

（2）培養學生自己設計實驗的能力；

（3）體會整個探究過程的科學嚴謹和合理性.

3情感態度與價值觀：

（1）通過探究實驗的方案，培養實事求是、尊重客觀規律的科學態度；

（2）通過實驗探究的確定，激發學生的求知欲和創新精神；

（3）培養與人合作的團隊精神.

[教學重點】

1如何測出加速度、力、質量的值；

2探究加速度與力、質量的關系；

3如何提出實驗方案并使實驗方案合理可行？

[教學難點】

1如何提出實驗方案并使實驗方案合理可行；

2對實驗設計思想的理解.

[教具準備】

多媒體課件，天平、小車、一端帶滑輪的長木板、帶小鉤或小盤的細線兩條、鉤碼（規格：10 g、20 g，用作牽引小車的力）、砝碼（規格：50 g、100 g、200 g，用來改變小車的質量）、刻度尺、文件夾、粗線繩（用來牽引小車）、打點計時器、學生電源、紙帶、秒表、傳感器等.

[教學過程】

[新課導入]

在我校秋季運動會的百米比賽中，有的運動員起跑特別好.

問題一：“起跑好”說的是物理學中的哪個物理量比較大呢？

（加速度）

請問：大家見過飛機、賽車和摩托車的起跑比賽嗎？

（看錄像）

問題二：起跑時，誰的加速度比較大呢？

問題三：既然三者都獲得了加速度，也就是說其運動狀態都發生了改變，說明它們都受到了外力的作用.為什么受力較小的摩托車卻能獲得較大的加速度呢？

（其質量小）

問題四：假如我們使用特殊的材料讓三者的質量一樣，三者的加速度又將發生什么變化呢？

（飛機的加速度最大）

通過以上的分析可知，物體的加速度一定是由物體所受的力以及自身的質量決定的.

究竟加速度與力、質量有何定量關系呢？

這節課我們就來探究如何利用實驗的方法來確定加速度與力、質量的關系.

[新課教學]

一、猜想加速度與力、質量的關系

請大家分組討論：加速度與力、質量之間可能的關系，并結合生活中的現象簡單說明猜想的依據.

（1）m一定，F增大，a增大，a可能與F成正比或二次方、三次方的關系……（2）F一定，m增大，a減小，a可能與F成反比或二次方、三次方的反比關系……

下面我們用實驗驗證大家的猜想，首先確定自己的探究方案.

二、確定探究方案

1、如何測出m、F、a

（1）m 用天平

（2）不受力的物體是不存在的.“力是改變物體運動狀態的原因”這句話中的力指的是物體受到的合外力.

下面大家思考：如何解決小車的受力問題呢？根據我們現有的實驗條件：用鉤碼牽引小車.

（說明用彈簧秤拉，不容易控制）

①用鉤碼牽引小車是小車所受到的合外力嗎？

②車和木板之間是有摩擦力的，如何平衡摩擦力？

a、用二力平衡的知識，用彈簧秤拉，不容易控制.

b、利用重力的分力平衡，墊高一端.小車可以從長木板的一端大致勻速地走到另一端.并說明小車質量改變的情況.

c、用氣墊導軌.

③鉤碼的重力等于牽引小車的力嗎？

[傳感器演示說明其受到的拉力不等于重力，并得出在什么情況下鉤碼的重力近似等于牽引小車的力.】

總結并提示：M鉤碼≤1/6m車時.

（3）a的測量（結合前面所學的知識，希望同學們想出盡可能多的方法，并給予比較.）

①根據初速度為零的勻加速直線運動的位移公式：x=12at2，用秒表和刻度尺，不準確.

②用打點計時器的方法，公式法和圖象法.

③用傳感器測各點所對應的速度，用圖象求斜率的方法得出a.

④因為兩個小車的初速度都為零，拉力大小不同，但對每個小車來說保持不變，根據我們前面的實驗證明：小車應該做勻加速直線運動.根據初速度為零的勻加速直線運動的位移公式x=12at2可知，加速度和位移成正比，只要測量位移就可以得到加速度與受力之間的關系.

2、分組討論并且每組設計一個實驗方案，并確定實驗步驟.

參考的實驗原理圖：

[小結】

提問：通過這堂課，你除了初步明白了如何探究加速度、力、質量之間的關系以外，你還學會了什么？（如技能、方法、感悟等）（理論探究的一些思想方法……）

比如：

（1）我們在研究一個物理問題時要注意其合理性和必要性；

（2）在處理有些實驗時信息技術可以起到很好的作用，準確、快捷、使一些常規方法不太好解決的問題得以很好的解決；

（3）要有實事求是、尊重客觀規律的科學態度；

（4）科學探究活動既要有大膽的猜想，也應該具有科學嚴謹的態度……

對同學們提到的收獲都應給予肯定.

[板書設計】

實驗：探究加速度與力、質量的關系

一、猜想加速度與力、質量的關系

m一定，F增大，a增大 F一定，m增大，a減小

二、確定自己的探究方案并確定實驗步驟.、

（1）如何測出m、F、a

（2）確定實驗步驟

參考文獻：

[1]張大昌.普通高中課程標準實驗教科書（物理必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]周譽藹.普通高中課程標準實驗教科書（物理必修1）教學參考書[M].北京：人民教育出版社，2007.

[3]陳大飛.論現代教育技術在中學物理教學中的應用[J].中學物理，2015，33（18）：86.