基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的“胡克定律”實驗教學(xué)改進(jìn)

趙明慧 楊曉梅

摘 ? 要：利用力傳感器、分體式位移傳感器、DISLab中的通用軟件自組裝測試彈簧勁度系數(shù)裝置，實現(xiàn)彈簧的橫向放置、真正測量“彈簧彈力與其形變量”的關(guān)系，連續(xù)采集數(shù)據(jù)并利用EXCEL擬合F—X圖像，進(jìn)行線性相關(guān)性分析，得出相關(guān)系數(shù)|R|>0.99。對比傳統(tǒng)實驗，線性相關(guān)性提高了5％，更加精確得出的結(jié)論。通過對胡克定律實驗教學(xué)改進(jìn)，以期通過中學(xué)物理實驗教學(xué)改進(jìn)，為提高學(xué)生核心素養(yǎng)提供新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；傳感器；“胡克定律”實驗教學(xué)改進(jìn)

胡克定律作為“力學(xué)”中的重要組成、且課標(biāo)要求為高中生必做實驗[ 1 ]，學(xué)好此節(jié)至關(guān)重要，傳統(tǒng)“胡克定律”實驗彈簧豎直放置，彈簧懸掛鉤碼難穩(wěn)定，不易觀察，且采用刻度尺、砝碼，人工觀察記錄，導(dǎo)致實驗精度低、誤差大、缺乏樂趣；而加入傳感器并將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像擬合組成的自組測試彈簧勁度系數(shù)裝置可實現(xiàn)彈簧橫向放置、以及數(shù)據(jù)的穩(wěn)定且連續(xù)采集、提高實驗精度與趣味性等，因此改進(jìn)后的實驗裝置更符合該節(jié)實驗教學(xué)要求，不僅更精確地得出胡克定律，且增加公式推導(dǎo)串、并聯(lián)組合彈簧勁度系數(shù)進(jìn)行拓展延伸，鍛煉學(xué)生數(shù)學(xué)和計算思維，教學(xué)過程突出學(xué)生的主體地位，促進(jìn)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任協(xié)同發(fā)展。

1 ?物理學(xué)科核心素養(yǎng)（圖1）

物理學(xué)科素養(yǎng)為物理教學(xué)提供指導(dǎo)，新課教學(xué)前利用已有物理觀念，在科學(xué)思維的指導(dǎo)下進(jìn)行科學(xué)探究活動，科學(xué)探究反過來促進(jìn)科學(xué)思維能力發(fā)展，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任貫穿其中，最終形成新的物理觀念，進(jìn)一步加強科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任，四項目標(biāo)相互融合、促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)得以綜合發(fā)展。

2 ?教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)流程對應(yīng)圖（圖2）

3 “胡克定律”實驗教學(xué)改進(jìn)

3.1 ?創(chuàng)設(shè)情境，引入新知——認(rèn)識到彈簧彈力與其形變量有關(guān)

“胡克定律”是“彈力”第二課時，在學(xué)此部分前，已了解彈力的概念、方向及二力平衡等知識。為引入本節(jié)內(nèi)容，采用學(xué)生親自進(jìn)行“拉彈簧”以及“壓彈簧”的游戲（圖3），感知彈簧彈力與其形變量之間存在關(guān)系，并猜想得出“在彈簧彈性限度內(nèi)，彈簧的形變量越大，其所受彈力越大”。

3.2 ?合作學(xué)習(xí)，探究新知——“傳統(tǒng)胡克定律實驗”

要求：根據(jù)教材內(nèi)容以及教師提供的實驗器材，組內(nèi)合作，經(jīng)歷探究過程。

實驗儀器：鐵架臺、彈簧（原長L0=2.60 cm）、刻度尺、50 g的鉤碼若干。

實驗步驟：

（1）合作交流、組裝實驗儀器，如圖4、圖5；

（2）結(jié)合教材，進(jìn)行實驗，待彈簧下的指針靜止后記錄數(shù)據(jù)，如表1；

（3）將得到的（Fn，Xn）數(shù)據(jù)描點連線繪出“F—X圖”如圖6。

數(shù)據(jù)分析：將數(shù)據(jù)擬合為F=0.1615X-0.0451且R2= 0.89，由于|R|<0.95，得出彈力F與形變量X的線性相關(guān)性較弱。

目的：由“傳統(tǒng)胡克定律實驗”進(jìn)行推理，提出質(zhì)疑、發(fā)現(xiàn)此實驗人為記錄操作，實驗精度低、誤差太大、可重復(fù)性差、趣味性低等問題，為接下來利用實驗改進(jìn)創(chuàng)新做鋪墊。

3.3 ?利用DISLab儀器，提高實驗精度

要求：了解各儀器的使用方法；在教師指導(dǎo)下，會連接實驗儀器；知道如何收集數(shù)據(jù)并使用軟件處理數(shù)據(jù)、繪“F—X圖”。

儀器（表2）：

注意：

（1）選用輕質(zhì)彈簧，橫向放置時才能不因自重而發(fā)生明顯彎曲；

（2）力傳感器、彈簧、小車三者重心及細(xì)線在同一水平線；

（3）因力傳感器與彈簧及彈簧與小車連接處為弧形鉤，由于拉動時兩弧形鉤會存在小范圍的相對滑動才到最佳結(jié)合點，為防止滑動需用膠槍將兩結(jié)合點固定；

（4）在彈簧的彈性限度內(nèi)實驗。

實驗步驟：

（1）按照圖7、圖8所示連接實驗儀器；

（2）實驗前，將力傳感器、位移傳感器連接數(shù)據(jù)采集器后接入電腦、調(diào)零，打開通用軟件。

方式一：①選中“組合圖線1”，左擊“添加”鍵，將橫縱坐標(biāo)分別調(diào)為位移X（單位：cm）和彈力F（單位：N）（此彈簧原長L0=2.60 cm）；

（3）啟動轉(zhuǎn)軸，此時彈簧被連接的小車勻速拖動，力傳感器和分體式位移傳感器示數(shù)均勻增加。

方式一：②點擊通用軟件中的采集啟動按鈕，數(shù)據(jù)采集后，自動繪制成“F—X圖”（圖9），對實際數(shù)據(jù)圖進(jìn)行“y=kx+b”擬合（圖10），在誤差允許范圍內(nèi)分析得出胡克定律：在彈性限度內(nèi)，彈簧彈力與其形變量成正比，即：F=kx。

方式二：選擇“通用軟件”中的計算表格，啟動“自動記錄”，每隔0.1s便記錄一次數(shù)據(jù)，得到F與X的大量數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)見表3），利用EXCEL擬合成F-X圖像，如圖11。

數(shù)據(jù)分析：由于實驗系統(tǒng)中拉動彈簧的小車與軌道存在微小摩擦，使圖像并非嚴(yán)格的正比例函數(shù)圖像。但通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到函數(shù)F=0.127X+0.0241，K=12.7N/m且R2= 0.9977，由于|R|>0.99，因此彈力F與形變量X之間的線性相關(guān)性強；在誤差允許范圍內(nèi)，可較精確的得出“在彈簧彈性限度內(nèi)，彈簧彈力與其形變量成正比”，即胡克定律公式F=KX。

目的：經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題并提出問題的過程，提高質(zhì)疑創(chuàng)新能力，將DISLab相關(guān)的實驗儀器引入胡克定律的實驗改進(jìn)，小組合作進(jìn)行實驗、通過科學(xué)的推理論證收集證據(jù)獲得實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)歷更加科學(xué)有趣的實驗探究過程[ 2 ]，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，更加清晰直觀的形成物理觀念——在誤差范圍內(nèi)“彈簧彈力與其形變量成正比”。

3.4 ?歸納總結(jié)，布置作業(yè)

要求：除做完相關(guān)練習(xí)題外，各小組搜集胡克定律發(fā)展史，了解我國航天器的制造在材料的選擇時的重要參數(shù)——比剛度=E/ρ（E材料的彈性模量，ρ為材料的比重），進(jìn)行分享。

目的：查漏補缺、學(xué)以致用，通過胡克定律發(fā)展史了解其發(fā)展進(jìn)步過程、學(xué)習(xí)科學(xué)家實事求是及堅韌不拔的精神；并且結(jié)合課程思政元素了解航天材料中比剛度，增加學(xué)生今后在物理及科技創(chuàng)新方面的熱情以及社會責(zé)任感與愛國熱情。

4 ?總結(jié)

通過對“傳統(tǒng)胡克定律”的實驗改進(jìn)，學(xué)生在科學(xué)思維的引領(lǐng)下經(jīng)歷完整實驗探究過程，改進(jìn)后的實驗相較于原來而言使用先進(jìn)的傳感器，更增加了學(xué)生的探究熱情及主觀能動性，實驗測量誤差小、精度高、可實現(xiàn)連續(xù)采集、方便快捷，更精確的得到胡克定律公式。在傳統(tǒng)實驗基礎(chǔ)上增加數(shù)字化技術(shù)并進(jìn)行拓展延伸，學(xué)習(xí)一步步深入，且增加學(xué)生的科技探究熱情以及社會責(zé)任等，核心素養(yǎng)得以提高。也期望通過對“胡克定律”實驗的對比研究，為今后的物理實驗教學(xué)提供新的思路方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 馬英.“彈力”課堂實驗教學(xué)觀察報告[J].物理通報，2018（7）：28-30.