信息技術下“超重與 失重”演示實驗的改進

宋峰

摘 要：“超重與失重”是牛頓運動定律的重要應用。現行人教版教材對該部分內容的演示實驗存在實驗時間短暫且無法記錄的硬傷，影響了學生對概念及本質的理解。文章利用信息化技術對傳統的“超重與失重”演示實驗做了一些改進，讓學生學習更加直觀，也讓實驗更有說服力。

關鍵詞：模擬電梯運行裝置;“科學日志”APP;超重;失重

高中物理必修1“牛頓第二定律的應用——超重與失重”部分內容安排在牛頓運動定律的教學內容之后，要求學生在了解的基礎上進一步認識超重與失重現象[1]。在本節內容的教學中，筆者發現學生對于超重失重的本質總是局限在記憶層面，要通過習題反復地訓練才能有所成效。個人覺得這種方式違背了新課標中要著重培養和提高學生物理學科核心素養的理念。筆者經過不斷地思考和總結發現，學生之所以會出現這樣的情況，多數是因為教師在實際教學中喜歡用網絡上現成的電梯里關于超重與失重的實驗視頻或者照搬現行教材中的演示實驗來展現實驗現象。然而對于以上的兩種實驗演示方式，雖然效果明顯，但是都存在實驗現象短暫且無法記錄的硬傷，如果此時再快速地進入到理論分析階段，必然導致學生概念模糊，本質理解困難。

一、實驗設計思路

鑒于以上分析，筆者自制了模擬電梯運行的簡易裝置[2]，并利用DIS力學傳感器及谷歌開發的一款智能手機APP“科學日志”來記錄物體運動過程中相關的力和加速度，這樣就可以把物理學量以圖像的形式直觀地展現在學生面前，此時再結合圖像并進行理論分析就必然會起到良好的效果。

二、自制模擬電梯運行裝置

（一）所需實驗器材

自制木架（高1.4 m，底座規格：寬36cm，長60cm，橫梁間距50cm）、定滑輪2個（間距40cm）、砝碼（200g）、重錘（315.8g）、力學傳感器（48.5g）、塑料夾子（28g）、智能手機（245.3g）、緩沖海綿1塊、尼龍細繩若干。

（二）實驗裝置制作的選材及注意點

實驗中之所以采用木架主要出于兩方面考慮：1.整個裝置在運行中必須足夠穩定，采用木架既保證了穩定性同時也兼具器材輕量化特性。2.木架便于制作，整個裝置只需要采用廢舊木料，然后用木工槍釘固定即可。

滑輪間距要考慮到物體與豎直木板的距離，否則手機在運動過程中若出現旋轉會觸及木板導致摩擦，影響實驗圖像。

夾子首先在選材上要考慮其質量，否則裝置右側重物過重會導致運動過程縮短記錄圖像不清晰。其次實驗中，最好在夾子的兩端固定海綿膠，這樣可以保證手機在運行中盡量地保持水平狀態，以便得到最佳的實驗圖像。

緩沖海綿在實驗中也起到非常重要的作用，其厚度不宜過厚（本實驗采用的厚度為2cm），否則會導致左側重物落地時有反彈現象，造成物體間的碰撞影響實驗效果。

實驗裝置如圖1

三、“科學日志”軟件介紹

“科學日志”是一款由谷歌開發的智能手機APP，該款APP使用手機內置的傳感器記錄聲音、光、運動，并將信號轉化為直觀的數據。目前該款應用只有安卓版，可以選擇中文界面。“科學日志”具有3大功能：測量光的照度，聲音的強度，運動的加速度（分x、y、z 三個方向）。測量原理APP中均有介紹。這里對測量加速度的原理進行一下簡介：智能手機內部裝有加速計傳感器，加速計內部有處于懸浮狀態的微粒，微粒可以自由移動，當手機運動狀態發生變化時，微粒的運動狀態也隨之變化，通過計算微粒的移動情況，手機中的加速計可以檢測自身的運動狀態和方向變化。“科學日志”操作容易，選擇測量功能后，點擊運行按鈕，即可自動記錄數據，并將測量數據用圖像直觀顯示，而且可以讀取各個時刻測量的數據。

在本實驗中，筆者主要使用的是“加速計Z軸”傳感器，之所以使用該方向的傳感器，主要是因為它可以實時記錄手機在豎直方向的運動情況而不受其水平及旋轉運動的影響，這樣就可以在一定程度上減少該實驗的誤差。“加速計Z軸”傳感器簡介如圖2。鑒于重力加速度的影響，“加速計Z軸”傳感器在手機水平靜止放置時就會顯示數字9.8m/s2。在實驗中，我們可以將手機處在水平穩定狀態時顯示的加速度數值（筆者實驗時手機所顯示的當地加速度為9.9m/s2）默認為調零值，如圖3所示。

四、實驗原理

本實驗裝置利用繩子對力學傳感器向上的拉力代替電梯地板對物體向上的支持力。通過改變實驗裝置左側的物體配重來達到模擬電梯運行中加速上升，減速上升及加速下降，減速下降的不同運動狀態，并通過DIS力學傳感器及智能手機來記錄物體在運動過程中力的大小及加速度的方向來探究超重與失重現象的本質。原理如圖4、圖5。

五、實驗操作過程

1.用約3m的尼龍細繩將砝碼m1與重錘m2及右側傳感器和手機按圖1所示進行連接。為了保證加速與減速有合理的時間，砝碼m1與重錘m2之間的距離要適中（經過反復實驗，兩者之間的距離為45cm效果較好）。

2.用手將裝置中左側重錘m2提升至距離地面約50cm處（此時砝碼m1距離地面約為95cm）。注意此時為了防止繩子的張力突變，需要待到整個裝置處于穩定狀態后才可以釋放。根據配重的設計，左側砝碼m1與重錘m2質量之和為518.5g大于裝置右側重物M（傳感器、塑料夾、智能手機）的質量321.8g，可以帶動其加速上升。

3.接著如圖5重錘m2接觸地面，此時砝碼m1與重錘m2之間的連接繩已處于松弛狀態，其作用力為零。裝置左側砝碼m1的質量為200g小于裝置右側重物M的質量。根據牛頓運動定律分析可知，此時右側重物M處在減速上升狀態。

六、實驗數據及圖像觀察

由以上實驗過程，我們發現模擬電梯運行的簡易裝置可以通過一次釋放完成兩個不同狀態的運動過程。這時，我們對DIS力學傳感器及手機中“科學日志”APP記錄的相關物理學量進行比較和分析。實驗圖像如圖6。

首先我們觀察圖像，需要向學生解釋說明的是：計時開始時物體并沒有運動，此時整個裝置處在水平穩定狀態。裝置右側重物上升過程大約開始于第6秒結束于第7.5秒，整個過程持續時間近1.5秒。圖像后面的鋸齒狀已經是右側重物處在震動狀態，這時的圖像是無意義的，可以忽略。

接著帶領學生觀察力的圖像，由圖像可以看出，物體在上升過程中，傳感器所測量的繩子拉力出現了大于和小于物體本身重力的數值（這里如果學生未使用過力的傳感器就還需要介紹下傳感器的調零過程，由于筆者之前已經在牛頓第三定律時演示過力學傳感器，所以此處未做過多介紹），此時再引出超重與失重的概念，學生就會欣然地接受這樣的過程。

理解了超重與失重的概念之后，再帶領學生觀察手機所記錄的加速度圖像，講解圖像中由于重力加速度的影響，顯示的原始值為9.9m/s2，在本實驗中我們需要把這個數值當作調零值。那么，當圖像出現在調零值得上方時為正值代表此時的加速度方向向上，反之則表示加速度方向向下。

最后，我把兩幅圖放在一起投影到教室的交互大屏上，將力的圖像與加速度圖像進行對比分析。此時，可以放手讓學生去自主分析得出：當物體的加速度向上時會出現超重現象，加速度向下時會出現失重現象。因為圖像的直觀記錄以及對比分析，學生會很輕松得出上述結論。之后，我向學生表示以上為我們實驗觀察的定性結果，還需要我們加以理論的驗證，看看是否可以通過理論探究也得到同樣的結論。此時，學生的探究積極性已經被充分調動。很快，學生在我的引導下用牛頓運動定律理論得出了產生超重與失重的原因。接著我再加以分部引導學生思考三個問題：1.物體下降過程中是否也會出現類似的超重與失重現象？2.物體的超重與失重現象是否與速度（運動）方向有關？3.綜合以上兩個問題，你能否總結出物體會在什么情況下分別出現超重與失重現象？這樣的課堂教學就遵循了“發現問題——實驗探究——理論驗證——總結歸納”的探究過程，也符合學生對于新知識的認知構建。

七、總結與反思

（一）本實驗改進的創新之處

1.改進了學生的學習方式。本節課通過對演示實驗的觀察和圖像分析，讓學生可以自主得出相關結論而不是被迫地接受新知識。

2.實驗儀器制作簡單。整個實驗裝置的制作可以說十分簡便，實驗材料選擇廢舊木料也充分地體現了廢物利用的思想。

3.實驗現象直觀可信。由于采用了以上的實驗方式，讓超重與失重這個相對比較短暫的實現現象得以記錄。而且，在教室里當場演示也讓這個實驗比學生觀看的網絡實驗視頻更加有可信度和說服力。

4.與信息技術相結合。本實驗的最大亮點是將信息技術與物理實驗完美結合，通過力傳感器與手機APP實現了將短暫的實驗現象變為恒久的實驗數據。

（二）本實驗改進的遺憾之處

展現過程不完全。本實驗的最大遺憾之處是：當右側重物下降時，左側本來已經落地的重錘m2被突然拉起時，繩子間的張力會發生突變，這就造成重物減速下降過程演示效果不理想，不能得到較為完美的圖像。

八、實驗教學設計的一點感悟

物理教學應體現其基本特征：以創設問題情境為切入點，以觀察實驗事實為基礎，以提升學生思維能力為核心，以培養學生探究能力為重點。超重與失重的演示實驗設計在創設問題情境和實驗觀察及理論探究上做了精心設計，保留了傳統的對電梯內超重與失重問題的探究，將復雜的電梯裝置進行了簡化，以便在課堂上可以直接對學生進行展示，提高了該實驗的說服力。通過信息技術的利用，將直觀的實驗圖像或數據展現在教室的交互一體機大屏上，提升了實驗觀察效果。整節課的教學中以學生為主體，自主觀察、總結歸納、理論探究、得出結論。極大地提高了學生分析問題、解決問題的能力。

在對信息技術與物理教學相整合時，必須考慮有效性和可行性。在實際教學過程中，筆者運用了交互性電子白板課件“希沃白板5”、視頻展臺及DIS信息技術等手段，電腦等USB接口都布滿了數據線，由于各種技術手段切換頻率較高，若稍有不慎就會導致操作出錯，這就需要教師對各種技術能熟練操作使用并具備當場解決多媒體技術問題的能力。在應用現代化技術輔助教學的探索之路上，對多樣實驗器材及多種信息化技術的優化整合，是一個值得思考與實踐的大問題。

參考文獻

[1]人民教育出版社。普通高中物理課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003：12.

[2]王震，汪玉瑩.自制模擬電梯演示儀，理解超重失重概念[J].物理教師，2017，38（8）：45-47，45.

[3]朱敏亮，肖化.基于滑輪組的超重失重演示儀[J].中學物理教學參考，2015（15）：29-30.

[4]弭寶國，王碩軍.對超重、失重演示實驗的改進[J].大學物理，2006，25（5）：32-33.