從DIS實驗的改進與拓展 提高學生物理學科核心素養
——以牛頓第二定律為例

郭強友 倪敏 楊陽 杜曉賀

(上海師范大學數理學院 上海 200234)

核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力.物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”4個方面[1].

物理學是基于觀察與實驗的一門學科，歸根到底都必須通過實驗手段進行最后的驗證.在高中階段物理實驗的教和學都是極其重要的一部分.物理事實的表述、物理觀念中的物理規律探索和物理概念的建立以及物理問題的解決都離不開實驗.布魯納通過心理學實驗得出，人們可以記住大約10%聽到的東西，大約30%讀到的東西，但是卻能記住大約 80%看到的東西.由此可見結合新課程標準的理念，通過物理實驗教學來提高學生的物理學科核心素養是具有重要意義的.那么如何通過物理實驗教學提高學生的核心素養，是我們每一位物理教育工作者都應該思考的問題.本文將以滬教版中“牛頓第二定律”DIS實驗的改進和拓展為例，探索通過實驗教學提高學生核心素養的有效方法.

1 根據新課程標準制定實驗教學目標

“通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質量的關系.理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生產生活中的有關現象、解決有關問題.通過實驗認識超重和失重現象.”在新的課程標準中用了短短兩句話總結了有關牛頓定律的相關學習任務.教師還需要結合教材仔細研讀課標，進一步理解物理核心素養的相關內涵，并結合物理核心素養的4個方面制定相關的教學目標.以下部分筆者將結合物理核心素養的4個方面，對牛頓第二定律的DIS實驗做淺顯的分析.

1.1 物理觀念

“牛頓第二定律”的內容是：物體加速度的大小a與物體所受的合外力F成正比，與物體的質量M成反比[2].是3個物理量關系的定量分析，公式是

(1)

1.2 科學思維

1.3 科學探究

科學探究的過程即在原實驗的基礎之上發現新的問題，并設計實驗，探究解決問題的方法，在實驗過程中，思考能否對本實驗做相應的拓展.在驗證牛頓第二定律的實驗中，摩擦力是一個影響較大的因素.在實驗過程中讓學生思考摩擦力是如何影響實驗的正確結論的，并思考討論減小摩擦力對實驗的影響的方法有哪些？同時可以引導學生將該實驗進行拓展.比如能否利用本實驗器材測量軌道的摩擦系數等.

1.4 科學態度與責任

在實驗過程中讓學生認識到牛頓第二定律的本質與其在科學、技術中的相關應用.通過改進實驗減小誤差，培養學生嚴謹認真、實事求是和探索創新的科學態度.但由于實驗的誤差不能完全消除，所得到的結論仍然帶有猜想和推斷的性質.只有根據這些結論推導出的新結果都與事實一致，這樣的“結論”才能成為定律.讓學生知道科學家前輩在根據有限的實驗事實得出結論時，既需要謹慎的科學態度，也需要有相信自己的勇氣.

2 基于物理學科核心素養的實驗改進

對實驗進行改進與拓展首先需要從理論上分析實驗，先從理論上找到可能產生誤差的原因，以及當前的牛頓第二定律DIS實驗教學的弊端.

2.1 現行“牛頓第二定律實驗”教學的弊端

在本實驗中產生實驗誤差的原因有很多，本次改進分別從摩擦力、鉤碼質量m與小車的質量M的比值大小選取范圍兩方面尋求改進方法．要達到順利完成實驗測量的目的，實驗過程中，實驗操作必須規范．本實驗主要的注意事項有：

(1)實驗中要保證力學軌道足夠光滑且水平放置.

(2)要調整定滑輪的高度，使拉小車的細線與力學軌道平行.

(3)用運動傳感器測量時，不要超出其測量范圍，進行圖線擬合時，由于靠近定滑輪端有強磁鐵作用，不要選取靠近此端的實驗數據進行擬合分析．

(4)懸掛鉤碼的重力不要太大[3].

【例題】保持小車質量不變，改變砂和砂桶重量，該同學根據實驗數據作出了加速度a與合力F圖線如圖1所示，該圖線不通過原點，明顯超出偶然誤差范圍，其主要原因是________.

圖1 a-F圖像

調查發現很多學生能夠正確填寫出答案：其主要原因是小車與軌道之間存在摩擦力.但是在詢問學生為什么小車與軌道之間存在的摩擦力會使圖像不通過原點時，學生的回答大多數都是說老師上課就是這樣講的.這種靠死記硬背讓學生掌握知識的方法已經成為現階段我國高中物理教學的慣用方法.這樣的教育模式使得學生只會做題，但是對結論的來源一無所知，這是違背新課程改革的理念的.

2.2 牛頓第二定律誤差的理論分析

對該實驗中出現的誤差，教師不應該置之不理，應該基于這個事實證據引導學生得出不同的觀點和結論.最后從兩個方面分析:

(1)近似地認為導軌與小車之間的摩擦力被完全平衡；

(2)近似地認為小車受到的拉力就是回形針的重力.

下面對這兩個近似條件做詳細分析.

對近似條件(1)進行分析，要減小導軌與小車之間的摩擦力，我們可以采用氣墊導軌.但是，氣墊導軌在中學物理實驗教學中并沒有普及，而且使用氣墊導軌會降低實驗的難度，不利于提高學生的實驗操作技能.因此，本實驗仍選擇使用力學導軌.采用增大斜軌傾角的方法來平衡摩擦力，這樣就可以利用小車的重力沿斜面的分力來平衡摩擦力.

受力分析如圖2所示，當小車做勻速直線運動時，Gx=f，平衡了摩擦力.實驗結論：當斜面傾角為0.191°時，小車通過兩次光電門的時間最接近，并且由位移傳感器測量出來的加速度最接近于零.

圖2 受力分析圖

對近似條件(2)進行分析，在實際實驗操作中，拉力不僅作用在小車上，還作用在滑輪與小車的車輪上，而滑輪與車輪存在轉動慣量，實驗中不應該忽略.

實驗裝置示意圖如圖3所示.

圖3 牛頓第二定律實驗裝置圖

將小車、小車的車輪、滑輪與鉤碼(實驗過程中用回形針代替)等物體構成的系統看成一個整體[4]，由牛頓第二定律可得到

(2)

其中，M與m分別是小車和回形針的質量，f是小車受到的摩擦力，I與I′分別是滑輪與車輪的轉動慣量，r與r′分別是滑輪與車輪的半徑，β與β′是滑輪與車輪的角加速度.

合外力的理論修正值是

(3)

當實驗中平衡摩擦力、使用輕質滑輪和小車時，式(3)可以變為

(4)

從式(4)可以看出，當回形針的質量遠小于小車質量時，小車所受的合外力可以用回形針的重力替代.因此，選擇合適質量的回形針來產生合外力，可以減小誤差.

2.3 基于理論分析改進實驗

表1 加速度理論值a0與實際值a的比較

續表1

綜合上面的分析，讓學生根據事實證據與科學推理提出驗證牛頓第二定律實驗有效控制誤差的方法并進行實驗準備：

(1)摩擦力的平衡.在軌道的15.5 cm處墊上高為0.52 cm的A4紙.

(3)使用光電門傳感器測量小車的加速度，擋光片寬度0.02 m，然后采用控制變量法驗證牛頓第二定律實驗.

根據改進后再次進行實驗，下面是實驗的數據處理與結論.

當拉力F0=0.097 4 N不變時，可得表2數據與圖4.

表2 合外力不變，加速度數據處理表

圖4 改進實驗后的圖像

當小車質量M=342.8 g不變時，可得表3數據與圖5.

表3 小車質量不變，加速度數據處理表

圖5 改進實驗后的a-F圖像

改進后的實驗誤差明顯變小，讓學生思考減小誤差的方法并且師生共同經過實驗得出結論，讓學生對實驗進行改進，多次經歷科學探究的過程，提高了學生的科學探究能力.

3 發散思維拓展實驗

為培養學生的批判性思維意識，可以讓學生從不同角度思考問題，培養科學探究意識，增強學生學習和研究物理的好奇心.在驗證牛頓第二定律的實驗中，摩擦力是一個影響較大的因素.結合DIS實驗，可以將本實驗進行拓展——測量車輪與軌道之間的滾動摩擦因數.本文將介紹通過牽引法來測量小車與軌道之間的滾動摩擦因數的實驗過程[5].本次實驗的拓展可以培養學生基于牛頓第二定律相關實驗進行科學推理，培養創造性見解的能力與品格.

實驗裝置圖如圖6所示[6].

圖6 測滾動摩擦因數實驗裝置圖

根據之前的理論推導，對于整個系統，由牛頓第二定律有

mg-f=(M+m)a

(5)

由滾動與滑動摩擦力的計算公式

f=μMg

將上述摩擦力代入式(5)，并化簡得到

(6)

化簡得到y=x-μg

(7)

只要得到截距b，就可以算出

實驗選取質量為130.6 g的小車與不同質量的回形針進行實驗，經數據處理得到表4，并作出圖7，得到

表4 牽引法測滾動摩擦因數數據

圖7 牽引法的y與x關系圖

由上述分析得：牽引法通過直線擬合處理數據，測量的結果較為準確，但是，此方法需要變形到一次函數的一般形式，對數學要求較高，因此，此方法不適合中學的實驗教學.但是在教學中可以給學生提出，讓感興趣的學生可以自己去探究和驗證，讓學生深度理解牛頓第二定律相關原理的同時，熟練運用DIS相關實驗器材和軟件.

4 總結

DIS實驗使學生從復雜繁瑣的傳統實驗中解放出來，讓學生關注物理的本質.在驗證牛頓第二定律的實驗中，平衡摩擦力與選擇合適的拉力是本實驗成功的關鍵.通過以上的實驗改進，得到較好的實驗條件，而正確選擇拉力的大小應當由教師在課下進行測量與準備.完善本實驗可以讓學生更加容易理解與掌握牛頓第二定律.引導學生運用控制變量法研究拉力、質量、加速度3個物理量之間的關系，學會分析和處理實驗數據的方法，提高科學探究能力，充分達到實驗教學的目的，讓學生形成物理觀念，拓展物理思維，學會科學探究，樹立科學態度與責任.