謝建興

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn);傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn);對(duì)比分析;高中物理

牛頓第二定律是高中物理的核心內(nèi)容，是運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的橋梁，“驗(yàn)證牛頓第二定律”更是歷年高考的高頻考點(diǎn)。所以我運(yùn)用兩種實(shí)驗(yàn)方法來做該實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比分析，讓我們對(duì)DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)的有所了解，在今后課堂教學(xué)中能更好的選用實(shí)驗(yàn)方法，提高課堂的效率。

1 ?采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法“驗(yàn)證牛頓第二定律”

1.1 ?當(dāng)小車質(zhì)量M—定時(shí)，探究加速度a與合外力F的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

實(shí)驗(yàn)步驟：

①測(cè)出所掛重物的重力，安裝好實(shí)驗(yàn)器材，但不要在小車上系上重物;

②平衡摩擦力;

③掛上重物后先通電再靜止釋放小車，得到一條紙帶并標(biāo)注牽引力F;

④保持小車質(zhì)量M不變，改變所掛重物的重力，重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn);

⑤根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn)應(yīng)用逐差法或圖象法求出小車的加速度a。

結(jié)論：當(dāng)物體質(zhì)量M—定時(shí)，物體的加速度a與合外力F成正比，即a∝F。

1.2 ? 當(dāng)小車所受合外力F一定時(shí)，探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)步驟：

①測(cè)出小車質(zhì)量M，安裝好實(shí)驗(yàn)器材但不要在小車上系上重物;

②平衡摩擦力;

③掛上重物后先接通電再靜止釋放小車，得到一條紙帶并標(biāo)注小車質(zhì)量M;

④保持重物質(zhì)量不變，通過改變配重片的質(zhì)量來改變小車的質(zhì)量，重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn);

⑤根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn)求出小車的加速度，畫出a-M圖象;

⑥再將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為a-1/M的關(guān)系，畫出a-1/M圖象。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：保持物體的合外力不變時(shí)，加速度a與質(zhì)量M成反比，即a∝1/M。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，最復(fù)雜的環(huán)節(jié)就是速度和加速度的計(jì)算，需要了解刻度尺的分度值、使用方法，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的構(gòu)造、原理、使用方法等。通過選擇合適的紙帶，測(cè)量出紙帶上點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，來計(jì)算出速度和加速度的大小。用到數(shù)據(jù)繁多，計(jì)算量大且易出錯(cuò)，而且需要用較長的時(shí)間才能完成該實(shí)驗(yàn)。但這能充分訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力、正確選擇和使用儀器的能力、實(shí)驗(yàn)操作的能力、公式推導(dǎo)計(jì)算作圖等利用數(shù)學(xué)思維方法來解決物理實(shí)際問題的能力。該實(shí)驗(yàn)既需要平衡摩擦力，還需要將沙桶的重力近擬當(dāng)作小車的拉力，為了減小誤差這就要求沙桶質(zhì)量要遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。這兩點(diǎn)都需要學(xué)生要有較強(qiáng)的誤差分析推導(dǎo)能力。

課堂教學(xué)反饋：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生需要記錄、測(cè)量、計(jì)算大量數(shù)據(jù)，用時(shí)長，數(shù)據(jù)處理也有一定難度，且極易出錯(cuò)，有部分同學(xué)甚至無法計(jì)算出加速度或無法作出圖象并找出a與F、M的關(guān)系，這嚴(yán)重打擊了學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)的積極性。

2 ?采用DIS實(shí)驗(yàn)方法“驗(yàn)證牛頓第二定律”

2.1 ?當(dāng)滑塊質(zhì)量M—定時(shí)，探究加速度a與合外力F的關(guān)系

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹慨?dāng)滑塊質(zhì)量M—定時(shí)，探究加速度與合外力的關(guān)系。

【實(shí)驗(yàn)原理】根據(jù)F=Ma ，保持滑塊質(zhì)量M不變，物體的加速度正比于作用在物體上的合外力。

【實(shí)驗(yàn)器材】DISLab軟件、光電門2個(gè)、計(jì)算機(jī)、滑塊、小盤、氣墊導(dǎo)軌、力傳感器、學(xué)生天平，裝置如圖2。

【實(shí)驗(yàn)步驟】

①安裝好實(shí)驗(yàn)器材，調(diào)節(jié)好光電門。測(cè)出沙桶的質(zhì)量m;

②先把數(shù)據(jù)釆集器、光電門與電腦連接好，打開DISLab軟件。調(diào)整軌道水平，讓滑塊靜止釋放，立即點(diǎn)擊菜單欄中“表格”按鈕，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄滑塊經(jīng)過兩個(gè)光電門的時(shí)間t1、t2和經(jīng)過兩個(gè)光電門之間距離所用的時(shí)間t12;

③保持滑塊質(zhì)量不變，改變所掛重物的重力，將數(shù)據(jù)填入表格，重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn);

④在單元格G2中填入=9.8*F2，在單元格H2中填入=（（0.02/C2）-（0.02/B2））/D2，然后用填充柄自動(dòng)填充生成G列和H列各單元格的值（如表1）;

⑤采用圖象法處理數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊菜單欄中“組合圖線，”設(shè)置縱軸為加速度a ，橫軸為滑塊所受的拉力F，在窗口中可看出數(shù)據(jù)點(diǎn)是過原點(diǎn)的直線性分布。點(diǎn)擊菜單欄中“線性擬合”，得到一條過原點(diǎn)的傾斜直線。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：物體的加速度正比于作用在物體上的合外力，即a∝F。

2.2 ?當(dāng)滑塊合外力F一定時(shí)，探究加速度a與滑塊質(zhì)量M的關(guān)系

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹慨?dāng)滑塊所受合外力F一定時(shí)，探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系

【實(shí)驗(yàn)原理】根據(jù)F=Ma，保持滑塊受到拉力F不變時(shí)，加速度a與物體質(zhì)量M成反比

【實(shí)驗(yàn)過程】

①安裝好實(shí)驗(yàn)器材，調(diào)節(jié)好光電門。測(cè)出沙桶的質(zhì)量m和滑塊質(zhì)量M;

②先把數(shù)據(jù)釆集器、光電門與電腦連接好，打開DISLab軟件。調(diào)整軌道水平，讓滑塊靜止釋放，立即點(diǎn)擊菜單欄中“表格”按鈕，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄滑塊經(jīng)過兩個(gè)光電門的時(shí)間t_A、t_B和經(jīng)過兩個(gè)光電門之間所用的時(shí)間Δt;

③保持沙桶質(zhì)量不變，改變配重片質(zhì)量，將滑塊與配重片的總質(zhì)量M填入表格，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn);

④在單元格G2中填入=1/E2 ，在單元格H2中填入=（（0.02/C2）-（0.02/B2））/D2，然后用填充柄自動(dòng)填充生成G列和H列各單元格的值（如表2）;

⑤用圖象法求加速度，點(diǎn)擊菜單欄中“組合圖線”縱軸為加速度a，橫軸為滑塊的質(zhì)量M，得到a-M圖象，可看出數(shù)據(jù)點(diǎn)分布類似雙曲線，故點(diǎn)擊菜單欄中“反比擬合”，得到一條雙曲線，這也無法確定加速度與質(zhì)量成反比關(guān)系;

⑥我們通過畫曲為直的物理方法做出a-1/M圖象，橫軸為滑塊質(zhì)量的倒數(shù)，縱軸為加速度a，得到a-1/M圖象，點(diǎn)擊菜單欄中“線性擬合”，得到圖象是一條經(jīng)過原點(diǎn)的直線。

結(jié)論：當(dāng)滑塊所受合外力一定時(shí)，物體的加速度跟物體的質(zhì)量成反比， 即a∝1/M。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟易操作，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，所得數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)自動(dòng)處理自動(dòng)擬合圖象，實(shí)時(shí)顯示，直觀明了，可信度高。但整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程過度依賴計(jì)算機(jī)，削弱了學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算、推理、處理圖象能力的訓(xùn)練;削弱了學(xué)生對(duì)誤差分析的能力的訓(xùn)練;削弱了學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)過程揭示科學(xué)規(guī)律的能力。

課堂教學(xué)反饋：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集快且準(zhǔn)確，能實(shí)時(shí)得到圖象，學(xué)生少了一些計(jì)算的訓(xùn)練，更重要的是不用平衡摩擦力，也就不用誤差分析。在實(shí)驗(yàn)過程有更多的時(shí)間來分析計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制并擬合出的圖象，實(shí)驗(yàn)中降低了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和誤差分析的能力，側(cè)重于讓學(xué)生探索物理規(guī)律與物理量之間的聯(lián)系，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。但有部分學(xué)生看到計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)后繪制并擬合出的曲線過于完美，而對(duì)其真實(shí)性表示懷疑。

通過兩種方法的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

DIS實(shí)驗(yàn)更有利于創(chuàng)設(shè)物理情境，激發(fā)興趣。愛因斯坦說過，“興趣是最好的老師”，學(xué)生只有對(duì)物理有興趣才想學(xué)，才能學(xué)好[ 1 ]。營造良好的心境，側(cè)重于通過學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變來樹立正確的價(jià)值觀以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的核心素養(yǎng);

DIS實(shí)驗(yàn)精度高誤差小，由此得到物理學(xué)規(guī)律和定則的嚴(yán)謹(jǐn)性和可信度更高，更注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)本質(zhì)的核心素養(yǎng);

DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集快，精度高，易操作，有更多的時(shí)間討論分析，突出學(xué)生的主體地位;有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和科學(xué)探究能力、拓展知識(shí)的能力;而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要的測(cè)量儀器多，有固定的實(shí)驗(yàn)步驟，操作時(shí)間長，易出錯(cuò)，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，清晰、有序的思維能力及勇于克服困難的堅(jiān)強(qiáng)的意志品質(zhì);

DIS 實(shí)驗(yàn)中特有的擬合圖象等數(shù)形結(jié)合功能和函數(shù)模擬功能，還有助于培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜問題的分析能力、處理信息推測(cè)答案的能力、構(gòu)建物理模型的能力、創(chuàng)新能力。著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維核心素養(yǎng);傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)則很難望其項(xiàng)背。

參考文獻(xiàn)：

[1]周明淺.談在物理教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[J].管理學(xué)家，2012（2）：23.