林根旺

摘 要：DIS實驗能夠把計算機和物理實驗課程有機結合起來。大部分學校都有DIS實驗室，在各種教學比賽或教學公開課中也常?？吹紻IS實驗的身影。但仔細分析我們也會發(fā)現(xiàn)，DIS實驗大部分還只用在新課教學和物理原理探究驗證上，其實在力學習題課難點的突破上，DIS實驗也有很大的發(fā)展空間。

關鍵詞：DIS實驗； 力學教學難點；細繩拉力

1 DIS實驗簡介及應用現(xiàn)狀

DIS實驗系統(tǒng)的英文全稱是“Digital information system”，一般翻譯為數(shù)字化信息系統(tǒng)[ 1 ]，它用到了大量的以二十世紀前沿科技作為技術理論支撐，并在二十世紀下半葉得到實際應用的設備。該系統(tǒng)最早由美國進行相關設備的研究和制造，之后加拿大、英國、日本等發(fā)達國家開始逐步引入到課堂教學中。DIS實驗系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器與圖形計算機（內含通用實驗和專用實驗軟件包）組成的。其中傳感器主要有電流、微電流、電壓、位移、溫度、聲波、力、磁、光電門等，實驗時根據(jù)需要選擇相應的傳感器，它可以快速、高精度地實時采集實驗數(shù)據(jù)，并將相應的信號轉換為電信號傳輸給數(shù)字采集器；數(shù)據(jù)采集器與計算機以串行方式通信，最多可同時接插四種傳感器，采集器對傳感器傳輸?shù)碾娦盘栠M行數(shù)據(jù)轉換和分析后將結果傳輸給計算機；計算機通過數(shù)字化實驗系統(tǒng)中的通用軟件和專用軟件，根據(jù)要求對實驗數(shù)據(jù)進行各種分析與處理。

我國最早的DIS實驗室出現(xiàn)在上海，2002年上海市教委將數(shù)字化實驗室系統(tǒng)引入二期課改高中物理教材中。中國教育部制定的《普通高中物理課程標準（實驗）》將數(shù)字化實驗室系統(tǒng)引入國家新課程理科實驗教學，在文中明確指出“教師應該積極開發(fā)適合自己教學的實驗項目……鼓勵將電子計算機等現(xiàn)代多媒體技術應用在物理實驗中”。在國家的大力提倡下，再加上DIS實驗能夠把計算機和物理實驗課程有機結合起來，形式新穎、內容豐富、操作簡單、數(shù)據(jù)處理方便，極大地方便學生進行探究實驗，給高中物理實驗教學注入了新的活力，于是極具潛力的DIS實驗便很快在中學教育中逐漸推廣開來。經(jīng)過一段時間的發(fā)展，大部分學校都有了DIS實驗室，在各種教學比賽或教學公開課中也常常看到DIS實驗的身影。但仔細分析我們也會發(fā)現(xiàn)DIS實驗大部分還只用在新課教學和物理原理探究驗證中，其實在習題課難點的突破上，DIS實驗也有很大的發(fā)展空間。

2 物理力學教學中存在的難點

常常有學生反映高中物理比較難，花了很大的精力成績還是提不上去，甚至這已經(jīng)成為一種共識，浙江、上海等地先行高考改革，物理遇冷成了社會關注的熱點。很多考生由于物理比較難而放棄選擇物理，據(jù)報道2017年浙江29.13萬考生中僅8萬人選考物理，占比27.5%，物理是考生選擇最少的學科；而上海選考物理的考生也僅30%。學生大呼物理難學，擔任物理教學的教師也感到物理難教，許多知識反復多次講解，學生還是一知半解，或者只是表面理解了，過一段時間又忘得一干二凈。這當然有多方面的原因，高中物理內容多，課堂容量大，章與章之間思維跨躍大；探究問題時不僅要從實驗出發(fā)，有時還要從建立物理模型出發(fā)，從已經(jīng)存在的概念出發(fā)，建立抽象的物理概念；物理練習題有時不但需要通過發(fā)散性的分析，搞清研究對象所遵守的物理規(guī)律，而且還需要較強的綜合能力和數(shù)學能力。而在這眾多原因中，高中物理知識與日常生活現(xiàn)象的聯(lián)系也不緊密，甚至有一些在生活中見不到，學生缺乏感性認識，這是一個相當重要的因素。如在驗證牛頓第二定律實驗中（實驗裝置如圖1所示），誤差的一個重要原因是系統(tǒng)在加速運動過程中細繩的拉力F不等于鉤碼的重力mg，老師在講解過程基本上是靠數(shù)學理論推導，而生活中甚至是初中的知識給學生的感性認識是拉力F等于鉤碼的重力mg，在實際的教學中我們會發(fā)現(xiàn)往往是直觀的感性認識占上方，學生在這個問題上一直轉不過彎來，下次碰到同樣類型的問題時還是會錯誤地認為細繩的拉力F等于鉤碼的重力mg。

其實這也不奇怪，根據(jù)學習金字塔理論，聽講是最低層次、最沒有效率的學習，而視聽層次是更有效的學習方式，如果我們能給學生直觀地看到加速運動過程中細繩拉力的變化情況，相信能讓學生對這一知識有更深刻的認識，可傳統(tǒng)的實驗器材是很難看到加速運動過程中繩子的拉力的，DIS實驗的出現(xiàn)讓這種設想成為可行。有許多力學教學難點亦是如此。

3 借助DIS實驗突破高中物理力學教學難點案例

3.1 加速運動過程中的細繩拉力問題

【例題1】在探究加速度與物體所受合外力和質量間的關系時，實驗裝置如圖1所示，小車質量用M表示，懸掛的砝碼質量用m表示，通過適當?shù)恼{節(jié)，使小車所受的阻力忽略，運動過程中小車的加速度可由紙帶上打點計數(shù)器打出的點計算。為使砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運動時受到的拉力， M與m的大小關系應滿足 。

解析： 當M和m做加速運動時，可以得到：

當M>>m時，可近似認為小車所受的拉力F等于mg.

DIS實驗驗證：裝置如圖1所示，在繩子連接小車的一端加上力傳感器，數(shù)據(jù)顯示方式選擇“示波”。當M約等于m時測得的圖象如圖2左邊所示；當M約等于20m時測得的圖象如圖2右邊所示。

從圖象中我們可以發(fā)現(xiàn)：在系統(tǒng)加速時繩子拉力都會發(fā)生變化，大小并不等于重力；當M與m差不多時，拉力有較大變化；而M當遠大于m時，繩子拉力變化不大，可近似認為小車所受的拉力F等于mg.

3.2 力分解過程中的動態(tài)分析問題

【例題2】：如圖3所示，物體處于平衡狀態(tài)，若保持OA繩方向不變，當OB繩與水平方向夾角 從900減小到00過程中，OA繩的拉力T和OB繩的拉力F大小如何變化？

DIS實驗驗證：裝置如圖3所示，支架可繞0點轉動（我是用鋁合金窗滑撐桿），兩力傳感器固定在支架末端，兩細繩一端一起系住砝碼，另一端分別固定在兩力傳感器的掛鉤上，注意調整細繩長短，保證兩細繩系住砝碼的結點與金屬支架的旋轉點0重合。數(shù)據(jù)顯示方示選擇“數(shù)字”，轉動其中一根桿，可在電腦中直觀地看到兩繩拉力的變化情況，

從實驗中我們可以發(fā)現(xiàn)當力F與水平方向夾角 從900減小到00過程中，F(xiàn)先變大后變小，T一直變大，且當F與OA垂直時，F(xiàn)最小，實驗現(xiàn)象非常明顯，結論與理論推導完全符合，相信會給學生留下深刻印象。

3.3 牛頓第二定律的瞬時問題

【例題3】如圖4左邊所示，兩個質量相同的小球用細繩連接，通過輕彈簧懸掛在天花板上，開始時兩小球均保持靜止狀態(tài).突然剪斷細繩，求剪斷瞬間上面的小球A與下面的小球B的加速度？

解析：這一題與彈力是否會突變有很大關系，我們經(jīng)常說連接物像彈簧、橡皮筋等產(chǎn)生的彈力不會瞬間發(fā)生改變（即改變需要時間和過程），而像輕繩、輕桿產(chǎn)生的彈力會瞬間發(fā)生改變，事實是否真是如此呢？我們可以用DIS實驗來驗證一下，將彈簧的上端固定在力傳感器的掛鉤上，剪斷下面細繩，彈簧彈力的變化情況如圖4右邊所示。

從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)剪斷下面的細繩后彈簧彈力改變確實需要時間和過程（前面的細微變化是因為剪刀接觸細繩時引起的），因而剪斷瞬間彈簧彈力不會瞬間發(fā)生改變，根據(jù)牛頓第二定律易得aA=0， aB=g。

3.4 晾衣服中的繩子拉力問題

【例題4】：如圖5所示，輕繩兩端分別固定在豎直桿M、N上的a、b兩點，懸掛衣服的衣架掛于繩上處于靜止狀態(tài)，不計細繩與衣架掛鉤間的摩擦力且認為細繩不可伸長.如果將細繩的右端上移到b′，當衣架再次靜止時，繩子拉力變大、變小還是不變，將桿N向緩慢右移一些，繩子拉力又如何變化？[ 2 ]

解析： 設兩桿間距離為d，繩長為l，因衣架掛鉤光滑的，故aO、bO對O點的拉力大小相等，又由水平方向受力平衡有aO、bO與水平方向的夾角相等，分析可得

由以上各式可知，當N桿向右移一些時，l不變，d變大，θ變大，則細繩拉力變大；而改變b的位置或繩兩端的高度差時，l、d不變，θ不變，繩子拉力不變。

我們可以用DIS實驗來模擬，用兩鐵架臺代替豎直桿M、N，動滑輪和鉤碼代替光滑掛鉤和衣服，其中一鐵架臺上固定力傳感器，細繩一端系在傳感器的掛鉤上（注意調整傳感器的角度，讓細繩和掛鉤在一條直線上，不然會出現(xiàn)較大誤差），左右或上下移動另一鐵架臺，從實驗中我們可以看到實際測量結果與理論推導還是很一致的。

4 結束語

物理學是一門以實驗為基礎的學科，如果一些物理難題也可以通過實驗展示出來，讓學生發(fā)現(xiàn)一些復雜的物理教學理論也能與實際有機結合，就能引起學生學習興趣，激發(fā)其探究問題真相的欲望，從而調動他們學好物理的積極性和主動性。DIS實驗憑借其先進的實驗設備和實驗理論，給我們提供了更多的可操作的實驗方案，只要我們認真研究，相信會對物理教學起到很好的促進作用。

參考文獻：

[1] 朱瑞珠.DIS實驗在高中物理課堂教學中的輔助實例分析[J]. 考試周刊，2016：11-16.

[2]陳寶友.芻議共點力平衡條件的應用問題[J].教學考試，2018（7）：23.