數字實驗與傳統實驗的融合

數字實驗與高中物理實驗融合，是高中物理實驗教學發展的必然趨勢，現以人教版高中物理必修一第三章“斜面物體重力分解”為例，對數字實驗與傳統實驗融合的教學實踐進行探究。

一、問題的提出

斜面物體重力分解問題在物理中具有特殊意義，大量動力學問題由此衍生。然而，眾多學生認為斜面物體重力分解是“分解為平行斜面方向的分力和垂直壓彎斜面的分力”。此外，教材中的傳統實驗設計還存在以下弊端：

（一）不能直觀展示物體重力在垂直斜面方向分力的變化情況。

（二）通過采集若干離散靜態點位置數據得出的結論不具有普遍性。連續變化的斜面傾角會導致平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力發生變化，該變化規律通過傳統實驗無法得知。

二、數字實驗設計原理

借助數字實驗系統，可使實驗過程由靜態轉向動態，數據采集由離散轉向連續，實現動態、定量的實驗效果。

三、數字實驗分析

用細繩取代輕彈簧，使小車在薄壁彈性金屬斜面位置不發生改變，將壓力傳感器觸桿與薄壁彈性金屬斜面垂直，通過調零消除斜面和小車對傳感器的作用。

打開艾迪生數字化探究實驗軟件，在“數據列表”新增數據列-F1、F12+F22兩列。調節斜面傾角，點擊“開始”，系統自動記錄任意時刻、不同傾角、僅“配重”所受重力在平行斜面方向分力F1、垂直斜面方向分力F2，以及-F1、F12+F22兩列；并在“圖區”呈現對應的圖像。經數據與圖像分析發現：

1.在實驗誤差允許范圍內，對于任意角度，兩個壓力傳感器采集的數據F12+F22幾乎與“配重”G2大致相等。

2.調節底座旋鈕，使斜面傾角在30°～65°之間連續變化，點擊“開始”，壓力傳感器采集參數，同時右方圖區呈現平行斜面方向和垂直斜面方向兩個分力隨傾角的變化情況，以及由數據展現的規律，并對圖像進行“曲線”擬合，如圖2所示。

由此可得出結論：

1.斜面物體重力在任何時刻均可分解為平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力，兩個分力的平方和與重力平方大小相等。

2.斜面傾角θ增大，平行斜面方向分力變大，垂直斜面方向分力變小，但兩個分力大小變化并非呈線性變化。

基于上述實驗結論，沿平行斜面方向和垂直斜面方向建立坐標系，將重力G沿兩個坐標軸方向分解為G1和G2，計算得到G1=Gsinθ、G2=Gcosθ。

對“斜面物體重力分解”的傳統實驗與數字實驗融合，不僅可以幫助學生觀察重力在平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力及離散的變化情況，還能定量觀察這兩個分力隨傾角連續變化的情況，促使學生在實踐與觀察中，將思維認知從唯象進入唯理，進行深度學習，提高科學探究能力。