物理實驗與計算機巧妙融合，促學生核心素養發展

丁 松

(江蘇省清江中學,江蘇 淮安 223001)

“實驗:驗證機械能守恒定律”是高中物理人教版必修2第7章第9節的內容.首先,機械能守恒定律是高中物理第一個守恒量,對今后學習能量守恒、電荷守恒等守恒定律打下基礎.其次,“實驗:驗證機械能守恒定律”是普通高中物理課程標準中學生必做實驗之一.其重要性,從2016年江蘇高考第11題(單擺驗證機械能守恒)可見一斑;還有2010、2015、2017年涉及打點計時器,2016年涉及光電門等實驗器材都是本節課所用到的重要器材.高中物理核心素養[1]要求學生形成正確的“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”.這些核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力.本節課如果能成功、巧妙地構思,那么驗證機械能守恒將可以從多方面促進學生物理核心素養的發展.例如:“物理觀念“方面——了解機械能守恒是自然界中能量守恒中的一個特例,能用能量等概念來解釋自然現象和解決實際問題;“科學探究”方面——明白科學探究的基本步驟,基于前面的機械能守恒學習,要大膽質疑機械能守恒是否真的恒成立,要會設計實驗與制定方案,獲取和處理信息,來驗證自己的猜想,最后與班級其他同學進行交流評估;“科學態度與責任”方面——實驗要有嚴謹的科學態度,對待科學不可馬虎了事,對待實驗誤差要找出原因,多分析,培養學生的觀察和實踐能力,培養學生實事求是的科學態度.基于此,筆者從核心素養的框架體系和學生的實際情況出發,精心構思了“實驗:驗證機械能守恒定律”這節市級優課,得到了同行們的認可,達到了很好的教學效果.現以此文章簡述自己的一些創新之處.

1 實驗方案的創新

課本上只給了一個實驗方案——驗證自由落體過程中的機械能守恒.本節課自己巧妙地設計了3個實驗: (1) 驗證單個物體的機械能守恒; (2) 驗證系統機械能守恒; (3) 驗證斜拋運動中的機械能守恒.

1.1 單個物體機械能守恒(課本實驗)

圖1 自由落體運動

如圖1所示,這個實驗是課本中的實驗,非常熟悉的實驗器材,可以很方便的驗證機械能守恒.

優點:實驗器材易獲取,實驗原理簡單,實驗操作容易.誤差分析相對簡單.

缺點:實驗器材熟悉,實驗可能與之前的自由落體實驗重復,學生沒有眼前一亮的學習熱情.系統機械能守恒沒有辦法得到驗證.還有打點計時器測量速度比光電門誤差大.

圖2

1.2 系統機械能守恒實驗(光電門和氣墊導軌)

如圖3所示，這個實驗與課本的實驗比較,有一定的難度.但絕不是學生能力之外的實驗.基本的實驗器材在“探究牛頓第二定律”實驗時已經見過,系統機械能守恒的原理,在本章的第8節“機械能守恒”中也都講過.所以這個實驗較好的體現學生的科學探究能力和知識遷移能力.

圖3

優點:光電門和氣墊導軌是高中必須掌握的實驗器材,但是由于設備精密,準備繁雜所以學生動手操作的少.本節課學生得以操作,親自用光電門和氣墊導軌做實驗,學習熱情高漲.光電門測量速度比打點計時器要準確;本實驗可以驗證系統機械能守恒.

缺點:操作比較繁雜,實驗器材調試時間長,實驗器材學校物理實驗室準備不足.這樣要求上課之前必須要給學生先培訓這一整套實驗器材的使用注意點.

操作注意點:調節水平時,等到氣墊導軌通氣穩定后,在導軌中部相隔50～60 cm處放置兩個光電門,調節底腳螺絲,使滑塊上擋光板通過兩個光電門的時間幾乎相等.具體步驟如下:

粗調:接通氣源,將裝有遮光片的滑塊輕放于導軌上,調節單腳螺絲,使滑塊在導軌上各處基本上均能保持靜止.

細調:使滑塊以某一速度運動,測量滑塊先后經過兩光電門時的遮光時間t1和t2,仔細調節單腳螺絲,使t1與t2相差在5%以內即可,就可以認為導軌已基本水平.

1.3 斜拋運動中驗證機械能守恒(計算機軟件在物理學中的應用)

這個實驗是用實驗室的器材無法完成的,因為斜拋的瞬時速度,某一段時間的高度差都無法及時測量.由此筆者想到是否可以用攝像機把斜拋運動中的每一個時刻的畫面定格,然后一一分析每一張照片呢?這個想法完全可以用計算機編輯好的軟件來完成.

優點:斜拋運動中的機械能守恒我們不好用實驗室的實驗器材來實驗驗證.我們可以借助計算機軟件來模擬生活的斜拋運動,然后根據軟件處理,得到相關數據,從而得到機械能守恒的結論.易操作.

缺點:必須要有過硬的編程本領,還要靈活的應用電腦中的相關技能.

操作注意點:

(1) 讓質量大,體積小,即密度大一點的物體從教室的某一固定點做斜上拋運動,用手機攝像功能記錄這一運動過程(如圖4).例如一個室外實驗,如圖5中實心球的固定高度為2.75 m.

圖4

圖5

(2) 然后把這一段視頻導入軟件中,軟件會模擬出與實際斜率運動相類似的一段數學曲線.

模擬動畫調整之前:數學模擬曲線與實際視頻運動曲線沒有吻合，如圖6.

模擬動畫調整之后:數學模擬曲線與實際視頻運動曲線高度吻合，如圖7.

圖6

圖7

(3) 根據此曲線即可求出曲線上每一點速度v和相對于拋出點的豎直位移h，如圖8.

說明:瞬時速度v是通過軟件程序中的微積分公式求出;高度差h是通過模擬曲線與實際高度的比例關系求出的.此時就可以把得到的數據代入機械能守恒定律的公式,檢驗是否守恒.

圖8

(4) 實驗誤差分析:數學的模擬曲線與實際斜拋的運動曲線無法完全重合.所以在模擬運動過程中,總會有點誤差.例如,同一個斜拋運動,經過幾次的模擬.有的初速度v0=4.599 m/s,有的是4.679 m/s.

2 實驗數據處理創新

本節課重點是方案的設計以及實驗器材的操作,這種創造性的勞動交給學生,而冷冰冰的數字計算的機械操作交給平板電腦.表1-表3中物理量單位都為國際單位；表1和表3中的重力勢能變化量和動能變化量的單位都為表格數字乘以質量m.

第1組:自由落體驗證機械能守恒實驗數據,見表1.

表1 驗證自由落體機械能守恒數據

第2組:氣墊導軌和光電門驗證系統機械能守恒數據,見表2.

表2 驗證系統機械能守恒數據

第3組:驗證斜拋運動中的機械能守恒數據,見表3.

表3 驗證斜上拋機械能守恒數據

用平板電腦來處理實驗數據如圖9所示.

圖9

3 教學過程設計創新

3.1 課前準備

(1) 班級50人,分為A、B兩個大組.每一個大組分為5個小組,每個小組安排一位物理小教師——主要帶領同組成員,順利快速的開展并且完成實驗.

(2) 由于實驗器材每個學生掌握程度不一樣,所以在全班學生進實驗室之前,要對物理小教師進行實驗器材的簡單培訓,尤其是氣墊導軌的使用,光電門的使用.平板電腦中,怎么用WPS中的表格對實驗數據的處理.

(3) 讓全班學生課前完成預習學案.主要是單個物體機械能守恒和系統機械能守恒.

完成預習學案:

(1) 判斷自由落體機械能是否守恒?為什么?能用實驗驗證嗎?(只有重力做功)

(2) 判斷如圖10所示的系統機械能是否守恒?為什么?一切摩擦不計.(是否有其他能量參與轉化)

圖10 連接體模型

(3) 還有什么模型是機械能守恒呢?

3.2 課堂時間

(1) 復習導入,詢問預習學案中的機械能是不是真的守恒呢?下面就讓我們用實驗來驗證一下.A組學生主要設計驗證自由落體機械能守恒的實驗方案;B組學生主要設計驗證系統機械能守恒的實驗方案.(3 min討論時間,5 min展示時間,2 min教師引導時間)

(2) 學生做實驗、實驗數據處理、選擇兩組學生的數據上臺展示,并且得出初步結論.(10 min實驗,5 min數據處理,10 min上臺展示,簡單分析誤差的原因)

(3) 教師和學生合作完成電腦演示實驗.學生讓蘋果做斜拋運動,教師錄視頻,并且將其導入軟件,模擬蘋果運動,得到蘋果的運動數據.選擇3組數據,請學生協助教師記錄在教師的平板電腦WPS的表格中.最后得出結論.(8 min)

(4) 最后作業:對這3個實驗方案進行評價分析,找出誤差的原因,并且能提出改進的方案.完成一份實驗報告.

3.3 具體課堂師生對白

師:上節課我們學習機械能守恒.如PPT所示的兩幅圖中的A物體機械能守恒嗎?

生:圖11中的自由落體A機械能守恒.圖12中的連接體模型中的A單個物體機械能不守恒,但是A和B組成的一個系統機械能守恒.

圖11 自由落體 圖12 連接體模型

師:能回答一下怎么判斷機械能守恒的呢?

生:討論并且回答,自由落體中只有重力做功;連接體接觸面光滑只有機械能之間相互轉化,無其他形式能量參與轉化,所以機械能守恒.

師:這兩種情況下機械能守恒，同學們能用機械能守恒來驗證一下嗎?請A組同學設計實驗方案來驗證圖1的機械能守恒.B組同學設計實驗方案來驗證圖2的機械能守恒.

……

師:請一位同學和老師一起完成一個驗證斜拋運動中機械能守恒的實驗.有誰愿意的?

生:我……我……

師:我們請薛子涵同學和老師一起完成這個實驗.薛子涵你在這個固定的高度把實心球拋出去,讓他做斜上拋運動.我來用攝像機記錄這一運動過程.

……

4 實驗教學評價與總結

物理學基于觀察和實驗,建構物理模型,應用數學等工具,通過科學推理和論證,形成系統的研究方法和理論體系.本節課實驗課教學注重體現物理學科本質,培養學生物理學科核心素養.引導學生自主學習,提倡教學方式多樣化.通過創設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的學習環境,培養和發展學生的自主學習能力.通過多樣化的教學方式,利用現代信息技術,引導學生理解物理本質,整體認識自然,形成科學思維習慣,增強科學探究能力和解決實際問題的能力.