自制數(shù)字化教具,賦能創(chuàng)新型課堂
——以“力傳感器式凹凸橋演示器”為例

戎 杰 胡科杰 葉 春

(浙江省慈溪中學(xué),浙江 寧波 315300)

黨的二十大對“著力造就拔尖創(chuàng)新人才”提出了更高的要求,創(chuàng)新人才的培育離不開創(chuàng)新思維的發(fā)展.創(chuàng)新思維是指從全新的角度看待問題,以新穎的方法解決問題,產(chǎn)生積極的、有社會意義的思維成果.而高中物理教學(xué)的重要任務(wù)即通過創(chuàng)新型課程的開展,發(fā)展高階創(chuàng)新思維,提升必備核心素養(yǎng).

“超重和失重”問題是普通高中物理課程《必修第2冊》第6章第4節(jié)“生活中的圓周運動”中的教學(xué)重點,教師往往通過研究生活中的典型情境：汽車過凹凸橋問題,分析汽車過凹橋最低點及凸橋最高點時的超失重狀態(tài),從而引導(dǎo)學(xué)生加深對豎直面內(nèi)圓周運動規(guī)律的認識,提高圓周運動模型建構(gòu)的能力.那么,如何直觀呈現(xiàn)汽車在凹橋最低點(凸橋最高點)所受重力和支持力的大小關(guān)系,進而完成定量探究過程,這是留給物理教師的工作.

1 數(shù)字秤式凹凸橋演示器

筆者查閱了現(xiàn)在大多數(shù)實驗室使用較多的“凹凸橋演示器”,實驗裝置如圖1所示.

圖1 數(shù)字秤式凹凸橋演示器

實驗裝置：數(shù)字秤、凹凸橋軌道、電磁鐵、鋼球、接收盒等幾部分組成.

實驗原理：電磁鐵接通電源,吸附鋼球靜止于軌道最高點,整個裝置處于靜止?fàn)顟B(tài),測出凹凸橋軌道和鋼球的總重力G1;電磁鐵斷開電源失磁,鋼球從軌道最高點滾下,依次通過凹橋最低點和凸橋最高點;用數(shù)字秤測出鋼球通過凹橋最低點和凸橋最高點的壓力分別為G2、G3.通過比較G2和G1、G3和G1的大小關(guān)系,確定鋼球在凹橋最低點和凸橋最高點的超(失)重狀態(tài).

此裝置的優(yōu)點如下.

(1) 鋼球在靜止時、凹橋最低點、凸橋最高點的壓力大小都可用數(shù)字秤直觀顯示,超(失)重判斷理論依據(jù)充分.

(2) 電磁鐵通電后產(chǎn)生磁力吸附作用,可確保鋼球每次在軌道上的運動過程完全相同(初位置相同、初速度均為0),運動到凹橋最低點、凸橋最高點的速度、壓力也完全相同.

然而筆者在實驗操作中發(fā)現(xiàn),上述裝置可操作性不強.鋼球完成整個運動過程的時間極短,數(shù)字秤的指針快速晃動,很難在某一次運動中精確測定鋼球在凸橋最高點、凹橋最低點對軌道的壓力,尤其是鋼球在凸橋最高點對軌道的壓力小于重力的現(xiàn)象十分不明顯.

2 力傳感器式凹凸橋演示器

基于此,筆者對上述裝置做了改進與創(chuàng)新,利用朗威力傳感器測量鋼球?qū)Π纪箻虻膲毫Υ笮?如圖2所示.

圖2 力傳感器式凹凸橋演示器

2.1 實驗器材

傾斜軌道、鋼球、平橋、凹橋、凸橋、豎直鐵板、附有強磁鐵的光電門、升降臺、朗威力傳感器、接收盒、朗威DISlab 8.1軟件.

2.2 實驗裝置(如圖3所示)

圖3 裝置示意圖

2.3 實驗原理

把數(shù)字秤改為朗威力傳感器,固定在凹凸橋下端,利用力傳感器精確測量鋼球?qū)ζ綐颉紭蜃畹忘c、凸橋最高點的壓力大小.傳感器下端固定在升降臺上(可以調(diào)節(jié)豎直高度),通過調(diào)節(jié)升降臺高度,使左右兩部分軌道平滑拼接在一起,鋼球的運動從而可看成一個完整的運動.光電門放置在橋的上方,當(dāng)鋼球經(jīng)過光電門時,測量擋光時間t,橋的后側(cè)豎直放置一塊鐵板,光電門側(cè)面安裝強磁鐵,可以配合凹凸橋及升降臺的高度,靈活固定在豎直鐵板上的任意位置.通過測量鋼球?qū)?種橋的壓力大小F,明確超(失)重規(guī)律;通過測量鋼球通過3種橋時的擋光時間t(可反映瞬時速度v的大小關(guān)系),進一步比較壓力與速度大小的關(guān)系.

2.4 實驗步驟

(1) 把平橋力傳感器固定在升降臺橫桿上,調(diào)節(jié)升降臺的高度,使平橋和左側(cè)軌道緊密銜接.在軌道后側(cè)豎直放置鐵板,在上方合適位置固定光電門,使光電門的信號發(fā)射孔對準(zhǔn)鋼球滾過該位置的球心高度.

(2) 將鋼球放在平橋上,讀出鋼球靜止時力傳感器的示數(shù)F0,即鋼球的重力大小G.

(3) 使小球從傾斜軌道某一高度靜止釋放,獲得一定速度,測量鋼球通過平橋時光電門的擋光時間t1,力傳感器的示數(shù)F1,即鋼球?qū)ζ綐虻膲毫Υ笮?比較F1與G的大小關(guān)系,確定鋼球在平橋運動的超(失)重狀態(tài).

(4) 把平橋換為凹橋,用同樣的方法測量鋼球通過凹橋最低點時光電門的擋光時間t2,力傳感器的示數(shù)F2,即鋼球?qū)Π紭蜃畹忘c的壓力大小.比較F2與G的大小關(guān)系,確定鋼球在凹橋最低點的超(失)重狀態(tài)(如圖4所示).

(5) 把凹橋換為凸橋,用同樣的方法測量鋼球通過凸橋最高點時光電門的擋光時間t3,力傳感器的示數(shù)F3,即鋼球?qū)ν箻蜃罡唿c的壓力大小.比較F3與G的大小關(guān)系,確定鋼球在凸橋最高點的超(失)重狀態(tài)(如圖5所示).

圖4 凹橋最低點的壓力和擋光時間

圖5 凸橋最高點的壓力和擋光時間

(6) 在鋼球直徑確定的情況下,比較擋光時間t1、t2、t3,得知通過光電門的瞬時速度v1、v2、v3大小關(guān)系(擋光時間越長,瞬時速度越小),結(jié)合F1、F2、F3大小關(guān)系,最終確定通過不同橋時壓力和瞬時速度的大小關(guān)系.

2.5 實驗數(shù)據(jù)(如表1所示)

表1

2.6 實驗結(jié)論

(1) 在平橋?qū)嶒炛?測得F1=F0=0.69 N,說明鋼球通過平橋時,既不超重也不失重,且壓力大小始終等于重力大小,與擋光時間無關(guān).

(2) 在凹橋?qū)嶒炛?測得鋼球兩次通過凹橋最低點時的壓力F2分別為1.45 N和1.58 N,均大于鋼球重力,說明鋼球處于超重狀態(tài).此外,擋光時間越短,瞬時速度越大,壓力越大.

(3) 在凸橋?qū)嶒炛?測得鋼球兩次通過凸橋最高點時的壓力F3分別為0.53 N和0.34 N,均小于鋼球重力,說明鋼球處于失重狀態(tài).此外,擋光時間越長,瞬時速度越小,壓力越大.

3 結(jié)語

本套力傳感器式凹凸橋演示器利用數(shù)字化軟件強大的數(shù)據(jù)采集和處理能力,有效突破教學(xué)難點,解決了數(shù)字秤式凹凸橋演示器鋼球運動過程時間短、指針晃動劇烈、壓力大小難以精確測量的弊端,將其應(yīng)用于課堂教學(xué)之中,既能激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣,又能開闊學(xué)生視野、發(fā)展創(chuàng)新思維、提升核心素養(yǎng).