數字化實驗在高中物理力學教學中的應用策略

王剛

摘 ? 要：當前的高中新課程改革，不僅僅是對教學內容的改革，更重要的是對教學方法、學生學習方式的改革。將DIS實驗系統應用于物理實驗教學，可較好地彌補傳統物理實驗教學的不足，實現力學實驗的數字化、動態過程的形象展示和實驗數據的實時捕捉等，這有利于強化學生對力學概念和規律的建構，有利于提升學生的圖形能力，也有利于完善物理實驗的量化研究。

關鍵詞：高中物理;力學教學;數字化實驗;圖形能力

中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：1009-010X（2020）02-0057-06

在現行的高中物理教材中有許多地方都介紹了以傳感器為實驗器材進行的物理實驗，同時在教學實踐中我們也不難發現，將DIS數字實驗系統引入課堂教學，對新課程的教學改革也起到了積極的促進作用。力學教學在中學物理教學中具有非同一般的挑戰性，其原因首先在于力學是整個物理學體系的根基，是學生學習物理的入門課;其次在于力學的教學過程不僅僅是知識的傳授過程，更是物理思維的訓練過程和物理方法的形成過程，因此力學教學的優化和改進是中學物理教學改革的一項重要任務。“高中物理教學中應用數字化實驗的策略研究”課題組，對DIS數字化實驗系統在高中力學教學中的應用做了比較深入和有益的探索，以下對此進行簡要介紹。

一、運用DIS實驗系統，實現力學實驗的數字化

在傳統的力學實驗中，一般使用測力計進行力的測量。測力計價格低廉、形象直觀、應用非常廣泛，但其缺點也顯而易見：僅適用于靜態而不適用于動態測量;能測拉力而不能測壓力;支持“點測量”不支持“線測量”，缺乏過程監控能力;另外測力計本身的精度、讀數等問題也限制了實驗的應用。GQY-elab力傳感器（圖1）以工業級應變片為核心部件，其將應變片受力后因微弱形變而引發的電勢差轉換為數字信號，進而得出測量結果，并實時顯示、記錄受力值，由此可描繪出“力——時間”圖線。

位移數據的實時測量填補了傳統力學實驗手段中的空白。GQY-elab位移傳感器（圖2）基于超聲波測距原理，能夠實時測量運動物體的位移數據，并可實時繪出“位移——時間”圖線。此外教材專用軟件還提供了“速度——時間”“加速度——時間”圖線的轉換功能，其都較好地解決了與位移相關的諸多物理量的測量、分析難題。

利用光電門進行力學實驗的精度可達到毫秒級，這已經屬于“高技術”了。但是光電門測得數據后需手動記錄、存儲和導入方可計算、分析，這影響了實驗效率的提高。GQY-elab光電門傳感器（圖3）的優勢，首先是測量、顯示和記錄的一體化功能，即擋光結束后，實驗數據即時呈現在軟件的計算表格之中;其次是便于計算和分析，計算表格內置編譯器，可帶入復雜公式參與運算并支持數據導出到Excel、Metlab等軟件;另外GQY-elab光電門的精度高出傳統光電門一個數量級，可達到微秒級，這使實驗教學的質量又獲得提高。

二、動態過程形象展示，有利于學生理解、掌握概念和規律

某些物理現象的發生過程很快，因此并不容易被我們的目光所捕捉。比如在使用測力計測量最大靜摩擦力的實驗中，逐步增加對物塊的拉力，測力計的指針也隨之發生移動。在物塊將動未動的那一瞬間，指針達到最大值。物塊開始滑動之后，指針又馬上回落并保持在一個常數。看清楚并記錄測力計瞬間達到的最大值，是最大靜摩擦力實驗成敗的關鍵。實際上這只是理想狀態，因為很難看清測力計瞬間的變化。

學生在初中已經學過滑動摩擦力的概念，也做過有關滑動摩擦力的探究實驗。通過實驗教學，學生已經知道了滑動摩擦力的大小與正壓力和接觸面的粗糙程度有關，并會運用控制變量法解決問題。在做實驗時，學生用彈簧秤水平方向拉動桌面上的物體，在拉動的一瞬間，彈簧秤的示數由大變小，該時間很短，因此記錄數據不準確，即在實驗操作中出現了精確記錄數據的困難。

如何解決這個問題是“學生探究活動”順利開展的動力。根據不同的教學資源，針對該問題可給出兩種解決方案：一是改造彈簧秤指針，用可以隨之移動的卡子的最終位置來表示最大靜摩擦力的示數;二是利用數字實驗室平臺與力學傳感器記錄實時數據。

就如何改進裝置、提高實驗精度以及為學生的探究活動提供實驗器材，課題組成員進行了多種嘗試，最終將“彈簧秤拉物塊”的實驗操作改進為應用固定物塊，然后拉動物塊下方的小車，即研究物塊與小車之間的最大靜摩擦力，并且選用數字實驗室平臺與力學傳感器以及局域網作為教學資源。為方便學生對影響最大靜摩擦力的因素進行探究，課題組準備了木板、白紙、毛巾等不同粗糙程度的界面作為接觸面，又準備了鉤碼用以改變物體對車面的壓力（如圖4所示）。

根據已有的實驗器材進行猜想，然后制定實驗方案并實施。如根據控制變量法，選用相同質量的物塊與接觸面，然后改變接觸面積，測量最大靜摩擦力，如圖5所示。又如在保證物塊質量和接觸面積不變的情況下改變接觸面的粗糙程度，然后記錄最大靜摩擦力的數值，如圖6所示。再如在保證接觸面的粗糙程度和接觸面積不變的情況下改變物塊質量，然后記錄最大靜摩擦力的數值，如圖7所示。

獲得數據并不是探究實驗的最終環節，而是為歸納出新的物理規律提供實驗依據。學生根據實驗數據，經交流可歸納出新的物理規律。例如根據圖5，學生可總結歸納出：在物塊的質量與接觸面的粗糙程度不變的情況下，在誤差允許的范圍內，接觸面的大小與最大靜摩擦力無關。根據圖6，學生可總結歸納出：在物塊的質量和接觸面積不變的情況下，接觸面越粗糙，最大靜摩擦力越大。根據圖7，學生可總結歸納出：在接觸面的粗糙程度與面積不變的情況下，物塊對接觸面的正壓力越大，最大靜摩擦力越大。

使用 GQY-elab傳感器進行牛頓第三定律的教學，同樣可以取得令人滿意的效果。在實驗中，教師兩手各持一個力傳感器，向相反方向拉（如圖8所示）。觀察獲得的圖線，發現兩條圖線基本重合，這表示兩個力的大小是相等的。將其中一個傳感器的圖線設為“鏡像顯示”后重復實驗，可獲得以時間軸為中心上下對稱的兩條圖線（如圖9所示），保持“鏡像顯示”，輕輕地讓兩個傳感器相互擠壓，所獲得的兩條圖線仍然以時間軸為中心上下對稱，如此清晰地展示了牛頓第三定律。