巧借現代技術妙學物理規律

2020-06-10 08:29:28齊國元

物理通報 2020年6期

齊國元

(杭州第四中學浙江杭州 310018)

曾裕

(杭州學軍中學浙江杭州 310012)

物理實驗是物理教學的重要教學手段，可以毫不夸張的說：“無實驗、不物理”.好的實驗設計能將復雜的物理知識直觀地呈現在學生面前，清晰的實驗現象(效果)能增強學生對物理知識的直觀感受，進而激發學生挖掘實驗現象背后的物理規律，有助于提升學生對物理知識的求知欲，有助于學生對物理規律的理解.傳統實驗的設計中蘊含著豐富的物理思想，折射出鮮活的物理規律，但是有些傳統實驗由于種種限制，實驗呈現效果不佳、實驗剖析力度不深使實驗在教學中的教學效果大打折扣.借助現代教育技術的特有優勢為實驗教學提供大量的便捷方法和手段，當傳統實驗和現代技術邂逅，物理實驗效果呈現的更加完美，實驗內涵的挖掘更加深入，物理規律的理解更加深刻，實驗現象與物理知識更加融合.傳統實驗和現代技術的完美融合讓物理實驗從“看不到”變得“看得到”；從“看不清”變得“看得清”；從“定性看”變成“定量看”.

1 巧用傳感技術將“看不到”變得“看得到”

案例一：“自感”教學中教材設計了一個斷電自感實驗,如圖1所示，讓學生用肉眼觀察圖1中的燈泡“閃亮一下再熄滅”.筆者在教學中發現，由于教室空間的局限性，很難讓所有學生都能清楚地看到上述實驗現象，再加上由于缺少對比，實驗呈現效果不夠理想，更重要的是，學生無法通過觀察燈泡亮度的變化發現：“通過圖1中燈泡的電流方向發生改變”這一重要的物理規律.

圖1 教材中的斷電自感實驗電路圖

為了使實驗呈現效果更加的直觀清晰，筆者使用傳感器技術對“斷電自感”實驗進行改進.利用電流傳感器、數據采集器和計算機信息處理系統，進行數據采集處理，并把實驗結果直接用圖像形式呈現出來.具體設計如下：在圖1中燈泡上串接上一個電流傳感器，啟動數據采集器，斷開開關S，數據采集器采集流經燈泡的電流信號，利用相關軟件直接畫出“i-t”圖像，實驗結果如圖2所示，從中可以清楚地觀察得出，流經燈泡的電流在電鍵斷開的一瞬間突然變得更大，很好地解釋了燈泡會“閃亮一下再熄滅”，并且圖像中清楚地看到流經燈泡的電流方向發生了改變.借用現代教育技術中的傳感器對實驗進行改進，讓傳統實驗中無法呈現的“電流反向”清楚地展現在學生面前，讓“燈泡閃亮一下再熄滅”更加具有說服力.

圖2 利用現代技術對“斷電自感”實驗改進得到的i-t圖像

傳感器技術有著靈敏捕捉信號、快速記錄數據、實時圖像顯示的強大功能，利用傳感器技術我們可以將傳統實驗中無法捕捉和記入的實驗數據實時動態地呈現出來，實現暫態現象凝固化讓原先看不到的實驗現象變得看得到.

2 巧用手持技術將“看不清”變得“看得清”

案例二：在“牛頓第二定律瞬時性的研究”的教學中，為了向學生展示：“繩子拉力可以發生突變，彈簧彈力不能發生突變”，通常會設計一組演示實驗，具體如下：

圖3 實驗一圖

實驗一：已知物體A和B的質量均為m，通過輕質彈簧相連，整個系統處于靜止狀態,如圖3所示，若突然撤去作用于繩子上的外力F，讓學生觀察實驗現象，而后分析撤去外力瞬間物體B的加速度？

實驗二：把A,B兩物體間的彈簧換成繩子，若突然撤去作用于繩子上的外力F，讓學生觀察實驗現象，而后分析撤去外力瞬間物體B的加速度？

筆者在教學中發現，由于物體下落很快，學生很難憑借肉眼觀察到A,B兩物體的相對運動情況，進而分析物體B在撤去外力F瞬間的加速度.若能讓整個下落過程慢下來，這樣就能讓學生通過觀察下落過程中A,B兩物體的相對運動情況來分析撤去外力瞬間物體B的加速度，并通過對比體會繩子和彈簧的區別.利用現代智能手機中的“慢動作”拍攝，很好地達到上述效果，為了增強實驗的真實感，課堂上現場拍攝視頻，用現代教育技術中的同屏軟件，將手機屏幕同步到投影儀上，讓所有學生都能清楚的看到實驗現象，并且通過背景墻面的標記物可以利用視頻截取圖片進行定格分析.

圖4 物體A，B間用彈簧連接，撤去外力F前，A，B兩物體的位置

圖5 物體A，B間用彈簧連接，撤去外力F后，A，B兩物體的位置

圖6 物體A，B間用繩子連接，撤去外力F前A，B兩物體的位置

圖7 物體A，B間用繩子連接，撤去外力F后，A，B兩物體的位置

本次實驗改進利用現代技術中的“慢動作”很好地讓學生觀察到清晰的實驗現象，符合“先實驗探究、后理論分析”的認知順序.

3 巧用應用軟件將“定性看”變成“定量看”

案例三：在運動的合成與分解的教學中，教材設計了“紅蠟塊實驗”，意在通過學生觀察“紅蠟塊”的運動，來體會“分運動”“合運動”等概念，以及感受“合運動與分運動”之間的關系.在教學中我們發現由于“紅蠟塊”是動態運動的，且沒有留下運動軌跡，學生很難觀察出紅蠟塊“合運動”的運動情況，更不用說找到“合運動”與“分運動”之間的關系了.

為了解決這個問題，對傳統實驗進行優化，利用現代教育技術中的“慢動作”拍攝，減緩紅蠟塊的運動速度，以便于學生進行實驗觀察.但是怎么樣讓學生體會“紅蠟塊”水平方向的勻速直線運動和豎直方向的勻速直線運動的合運動一定是勻速直線運動呢？并且知道合運動與分運動之間遵循平行四邊形定則呢？筆者在拍攝慢動作視頻的基礎上，利用Tracker軟件進行視頻的定量分析，很好地突破了上述教學難點.具體做法如下：

拍攝視頻1：將盛水玻璃管豎直放在小車上，用磁鐵將紅蠟塊(內部插有鐵釘)吸在玻璃管底部，用同步電機(可用變頻電源調速)勻速拖動小車運動，使紅蠟塊在水平面做勻速運動，如圖8所示.