博采眾長 相得益彰

謝建興

關鍵詞：DIS實驗;傳統實驗;對比分析;高中物理

牛頓第二定律是高中物理的核心內容，是運動學和力學的橋梁，“驗證牛頓第二定律”更是歷年高考的高頻考點。所以我運用兩種實驗方法來做該實驗，通過對比分析，讓我們對DIS實驗與傳統實驗的特點和優勢的有所了解，在今后課堂教學中能更好的選用實驗方法，提高課堂的效率。

1 ?采用傳統實驗方法“驗證牛頓第二定律”

1.1 ?當小車質量M—定時，探究加速度a與合外力F的關系

實驗裝置如圖1。

實驗步驟：

①測出所掛重物的重力，安裝好實驗器材，但不要在小車上系上重物;

②平衡摩擦力;

③掛上重物后先通電再靜止釋放小車，得到一條紙帶并標注牽引力F;

④保持小車質量M不變，改變所掛重物的重力，重復幾次實驗;

⑤根據紙帶上打出的點應用逐差法或圖象法求出小車的加速度a。

結論：當物體質量M—定時，物體的加速度a與合外力F成正比，即a∝F。

1.2 ? 當小車所受合外力F一定時，探究加速度a與質量M的關系

實驗步驟：

①測出小車質量M，安裝好實驗器材但不要在小車上系上重物;

②平衡摩擦力;

③掛上重物后先接通電再靜止釋放小車，得到一條紙帶并標注小車質量M;

④保持重物質量不變，通過改變配重片的質量來改變小車的質量，重復幾次實驗;

⑤根據紙帶上打出的點求出小車的加速度，畫出a-M圖象;

⑥再將得到的數據轉換為a-1/M的關系，畫出a-1/M圖象。

實驗結論：保持物體的合外力不變時，加速度a與質量M成反比，即a∝1/M。

整個實驗中，最復雜的環節就是速度和加速度的計算，需要了解刻度尺的分度值、使用方法，打點計時器的構造、原理、使用方法等。通過選擇合適的紙帶，測量出紙帶上點與點之間的距離，來計算出速度和加速度的大小。用到數據繁多，計算量大且易出錯，而且需要用較長的時間才能完成該實驗。但這能充分訓練學生的觀察能力、正確選擇和使用儀器的能力、實驗操作的能力、公式推導計算作圖等利用數學思維方法來解決物理實際問題的能力。該實驗既需要平衡摩擦力，還需要將沙桶的重力近擬當作小車的拉力，為了減小誤差這就要求沙桶質量要遠小于小車的質量。這兩點都需要學生要有較強的誤差分析推導能力。

課堂教學反饋：在實驗教學過程中，學生需要記錄、測量、計算大量數據，用時長，數據處理也有一定難度，且極易出錯，有部分同學甚至無法計算出加速度或無法作出圖象并找出a與F、M的關系，這嚴重打擊了學生對于實驗的積極性。

2 ?采用DIS實驗方法“驗證牛頓第二定律”

2.1 ?當滑塊質量M—定時，探究加速度a與合外力F的關系

【實驗目的】當滑塊質量M—定時，探究加速度與合外力的關系。

【實驗原理】根據F=Ma ，保持滑塊質量M不變，物體的加速度正比于作用在物體上的合外力。

【實驗器材】DISLab軟件、光電門2個、計算機、滑塊、小盤、氣墊導軌、力傳感器、學生天平，裝置如圖2。

【實驗步驟】

①安裝好實驗器材，調節好光電門。測出沙桶的質量m;

②先把數據釆集器、光電門與電腦連接好，打開DISLab軟件。調整軌道水平，讓滑塊靜止釋放，立即點擊菜單欄中“表格”按鈕，計算機自動記錄滑塊經過兩個光電門的時間t1、t2和經過兩個光電門之間距離所用的時間t12;

③保持滑塊質量不變，改變所掛重物的重力，將數據填入表格，重復幾次實驗;

④在單元格G2中填入=9.8*F2，在單元格H2中填入=（（0.02/C2）-（0.02/B2））/D2，然后用填充柄自動填充生成G列和H列各單元格的值（如表1）;

⑤采用圖象法處理數據，點擊菜單欄中“組合圖線，”設置縱軸為加速度a ，橫軸為滑塊所受的拉力F，在窗口中可看出數據點是過原點的直線性分布。點擊菜單欄中“線性擬合”，得到一條過原點的傾斜直線。

實驗結論：物體的加速度正比于作用在物體上的合外力，即a∝F。

2.2 ?當滑塊合外力F一定時，探究加速度a與滑塊質量M的關系

【實驗目的】當滑塊所受合外力F一定時，探究加速度a與質量M的關系

【實驗原理】根據F=Ma，保持滑塊受到拉力F不變時，加速度a與物體質量M成反比

【實驗過程】

①安裝好實驗器材，調節好光電門。測出沙桶的質量m和滑塊質量M;

②先把數據釆集器、光電門與電腦連接好，打開DISLab軟件。調整軌道水平，讓滑塊靜止釋放，立即點擊菜單欄中“表格”按鈕，計算機自動記錄滑塊經過兩個光電門的時間t_A、t_B和經過兩個光電門之間所用的時間Δt;

③保持沙桶質量不變，改變配重片質量，將滑塊與配重片的總質量M填入表格，重復上述實驗;

④在單元格G2中填入=1/E2 ，在單元格H2中填入=（（0.02/C2）-（0.02/B2））/D2，然后用填充柄自動填充生成G列和H列各單元格的值（如表2）;

⑤用圖象法求加速度，點擊菜單欄中“組合圖線”縱軸為加速度a，橫軸為滑塊的質量M，得到a-M圖象，可看出數據點分布類似雙曲線，故點擊菜單欄中“反比擬合”，得到一條雙曲線，這也無法確定加速度與質量成反比關系;

⑥我們通過畫曲為直的物理方法做出a-1/M圖象，橫軸為滑塊質量的倒數，縱軸為加速度a，得到a-1/M圖象，點擊菜單欄中“線性擬合”，得到圖象是一條經過原點的直線。

結論：當滑塊所受合外力一定時，物體的加速度跟物體的質量成反比， 即a∝1/M。

整個實驗步驟易操作，數據自動采集，所得數據精度高，數據自動處理自動擬合圖象，實時顯示，直觀明了，可信度高。但整個實驗過程過度依賴計算機，削弱了學生對數據的分析、計算、推理、處理圖象能力的訓練;削弱了學生對誤差分析的能力的訓練;削弱了學生通過實驗過程揭示科學規律的能力。

課堂教學反饋：在實驗教學過程中，實驗數據采集快且準確，能實時得到圖象，學生少了一些計算的訓練，更重要的是不用平衡摩擦力，也就不用誤差分析。在實驗過程有更多的時間來分析計算機根據采集到的數據繪制并擬合出的圖象，實驗中降低了學生的實驗操作能力和誤差分析的能力，側重于讓學生探索物理規律與物理量之間的聯系，著重培養學生的科學探究能力。但有部分學生看到計算機采集數據后繪制并擬合出的曲線過于完美，而對其真實性表示懷疑。

通過兩種方法的對比發現：

DIS實驗更有利于創設物理情境，激發興趣。愛因斯坦說過，“興趣是最好的老師”，學生只有對物理有興趣才想學，才能學好[ 1 ]。營造良好的心境，側重于通過學生學習方式的轉變來樹立正確的價值觀以達到培養學生的科學態度與責任的核心素養;

DIS實驗精度高誤差小，由此得到物理學規律和定則的嚴謹性和可信度更高，更注重培養學生的科學本質的核心素養;

DIS實驗數據采集快，精度高，易操作，有更多的時間討論分析，突出學生的主體地位;有利于培養學生獨立思考和科學探究能力、拓展知識的能力;而傳統實驗需要的測量儀器多，有固定的實驗步驟，操作時間長，易出錯，注重培養學生的實驗操作能力，清晰、有序的思維能力及勇于克服困難的堅強的意志品質;

DIS 實驗中特有的擬合圖象等數形結合功能和函數模擬功能，還有助于培養學生復雜問題的分析能力、處理信息推測答案的能力、構建物理模型的能力、創新能力。著重培養學生的科學思維核心素養;傳統實驗則很難望其項背。

參考文獻：

[1]周明淺.談在物理教學中激發學生的學習興趣[J].管理學家，2012（2）：23.