利用DIS探究杠桿的平衡條件①

陳美琴 錢建和

(1. 江蘇省南京市第二十九中學柳洲東路分校,江蘇 南京 210031;2. 江蘇省泰州市鳳凰小學,江蘇 泰州 225400)

《義務教育物理課程標準(2022年版)》指出:“教師要充分發揮信息技術的優勢,將信息技術有效融入物理教學,創新教學方式,提升教學效率。同時,應鼓勵學生將信息技術運用到物理學習中,幫助學生適應數字化時代的要求,提升學生運用信息技術的能力。”數字化是信息技術發展的時代特征,將數字化實驗融入傳統實驗,可增強實驗現象的可視性和實驗數據釆集的實時性。在有的初中物理實驗教學中存在實驗現象不明顯、實驗數據難收集、實驗效果差及教學效率低的現象,究其原因,是部分教師在實驗教學中,只關注實驗本身如何做,而忽視了科學思維和探究能力的培養。如何使實驗教學發揮其應有的核心素養培養功能呢?本文以“探究杠桿的平衡條件”實驗教學為例,進行深入探討。

1 DIS簡介

數字化信息系統(Digital Information System,簡稱DIS)的基本構成是傳感器、數據采集器、計算機。傳感器是將非電學信號轉換為電學信號的器件,可測量力、位移、溫度、光、電壓、電流等物理量。數據采集器將傳感器采集到的各種電信號轉化為數字信號后輸入計算機,計算機通過應用軟件進行分析處理,并以多種形式實時顯示在計算機的屏幕上。DIS傳感器可以代替傳統的測量儀器對多種物理量進行數據采集和實時處理與分析。

2 DIS在實驗教學中的應用

利用DIS進行“探究杠桿的平衡條件”實驗教學,使學生經歷提出問題、尋找證據、解釋證據的過程,培養他們的科學思維和探究能力。

2.1 做真實驗,提出真問題

蘇科版初中物理教材對“探究杠桿的平衡條件”提供了如圖1所示的實驗裝置,在新授課時筆者為學生提供器材,讓學生自主探究。有的學生很自信地按步驟進行實驗,然而做完實驗后發現,并沒有得到“F1l1=F2l2”的結論。學生按正確的實驗步驟做“真實驗”卻得不到“真結論”,引發了學生思考。學生通過觀察、思考,發現:在本實驗中彈簧測力計是倒置使用,有的同學在實驗前沒有正確調零,影響了實驗的結果。

圖1

2.2 引入DIS,改進探究教學

由于彈簧測力計調零中出現的問題,影響了實驗的結果,筆者考慮將DIS引入探究教學中,用力傳感器代替彈簧測力計,可簡化調零過程,使學生專注于杠桿平衡條件的探究。

教師提問:能否用其他器材替換彈簧測力計?在“力的作用是相互的”的學習中使用過力傳感器的學生提出:可以用DIS的力傳感器替代彈簧測力計。

教師順勢引導學生利用力傳感器探究杠桿的平衡條件,具體實驗步驟如下:

(1) 將力傳感器接入數據采集器,調節杠桿上的平衡螺母使杠桿在水平位置平衡,利用DIS的“調零”功能將力傳感器調零。

(2) 如圖2所示,將鉤碼掛在杠桿上,設力傳感器對杠桿的拉力為動力,鉤碼對杠桿的拉力為阻力,杠桿在水平位置平衡時,讀出實驗數據:F11=1.0 N,F21=2.0 N,l11=10.0 cm,l21=5.0 cm。

圖2

(3) 如圖3所示,不改變鉤碼的質量和位置,改變動力臂的大小,杠桿在水平位置再次平衡時,讀出實驗數據:F12=2.0 N,F22=2.0 N,l12=5.0 cm,l22=5.0 cm。

圖3

(4) 多次改變鉤碼的質量和位置以及力傳感器的掛放位置,讀出實驗數據。分析實驗數據,通過歸納總結,得出杠桿的平衡條件。

筆者在教學過程中發現,學生在熟悉DIS操作的基礎上,只需要每次固定好力傳感器的位置,加減鉤碼或者移動鉤碼的位置,就能較快地完成該實驗,數據記錄方便快捷,最終通過分析、歸納,學生能順利得出結論:在實驗誤差允許的范圍內,動力乘以動力臂等于阻力乘以阻力臂。

用力傳感器替代彈簧測力計的優點在于在實驗過程中學生能夠體驗到,固定好力傳感器,不但能正確校零,還方便操作,深化學生對傳感器的認識,利用DIS軟件能直接顯示動力的大小,可減小動力的讀數誤差。

3 DIS在課堂作業中的應用

在傳統實驗中融合DIS探究出杠桿的平衡條件后,筆者布置的課堂作業是:利用力傳感器演示在動力臂和阻力臂一定時動力和阻力的關系,分析實驗圖像,進一步探究杠桿的平衡條件,實驗步驟如下:

(1) 在數據采集器上同時接入兩只力傳感器,左側力傳感器固定在距離支點5 cm位置,右側力傳感器固定在距離支點10 cm位置。同時對兩個力傳感器進行調零。調節杠桿兩端的平衡螺母,使杠桿在水平位置平衡。

(2) 運用DIS的“組合圖線”功能,設置橫軸為右側力傳感器的示數F1,縱軸為左側力傳感器的示數F2。

(3) 學生1豎直向下拉左側力傳感器同時,學生2豎直向下拉住右側力傳感器,確保杠桿保持在水平位置平衡,DIS會繪出F1-F2圖像(圖4)。

圖4

筆者提出了以下問題:(1) 如何從實驗記錄的圖像上找到杠桿平衡條件的證據?(2) 如何繼續實驗,使實驗規律具有普遍性?

通過課堂作業的完成,助力學生理解、掌握杠桿的平衡條件。

4 結語

從上述課堂教學活動來看,學生的思維活動是從真做實驗開始的,實驗數據的異常引發了學生的思考,進而引入DIS,使學生專注于杠桿平衡條件的探究。利用DIS做實驗,能激發學生的學習熱情,以實驗事實為抓手,引導學生體驗探究過程,有助于學生自主發現規律,進行創新實驗。