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        巧借現(xiàn)代技術(shù) 妙學(xué)物理規(guī)律

        2020-06-10 08:29:28齊國(guó)元
        物理通報(bào) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:蠟塊外力燈泡

        齊國(guó)元

        (杭州第四中學(xué) 浙江 杭州 310018)

        曾裕

        (杭州學(xué)軍中學(xué) 浙江 杭州 310012)

        物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要教學(xué)手段,可以毫不夸張的說(shuō):“無(wú)實(shí)驗(yàn)、不物理”.好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能將復(fù)雜的物理知識(shí)直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(效果)能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的直觀感受,進(jìn)而激發(fā)學(xué)生挖掘?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象背后的物理規(guī)律,有助于提升學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的求知欲,有助于學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中蘊(yùn)含著豐富的物理思想,折射出鮮活的物理規(guī)律,但是有些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于種種限制,實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)效果不佳、實(shí)驗(yàn)剖析力度不深使實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的教學(xué)效果大打折扣.借助現(xiàn)代教育技術(shù)的特有優(yōu)勢(shì)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供大量的便捷方法和手段,當(dāng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代技術(shù)邂逅,物理實(shí)驗(yàn)效果呈現(xiàn)的更加完美,實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵的挖掘更加深入,物理規(guī)律的理解更加深刻,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與物理知識(shí)更加融合.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代技術(shù)的完美融合讓物理實(shí)驗(yàn)從“看不到”變得“看得到”;從“看不清”變得“看得清”;從“定性看”變成“定量看”.

        1 巧用傳感技術(shù)將“看不到”變得“看得到”

        案例一:“自感”教學(xué)中教材設(shè)計(jì)了一個(gè)斷電自感實(shí)驗(yàn),如圖1所示,讓學(xué)生用肉眼觀察圖1中的燈泡“閃亮一下再熄滅”.筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),由于教室空間的局限性,很難讓所有學(xué)生都能清楚地看到上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,再加上由于缺少對(duì)比,實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)效果不夠理想,更重要的是,學(xué)生無(wú)法通過(guò)觀察燈泡亮度的變化發(fā)現(xiàn):“通過(guò)圖1中燈泡的電流方向發(fā)生改變”這一重要的物理規(guī)律.

        圖1 教材中的斷電自感實(shí)驗(yàn)電路圖

        為了使實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)效果更加的直觀清晰,筆者使用傳感器技術(shù)對(duì)“斷電自感”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn).利用電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng),進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理,并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接用圖像形式呈現(xiàn)出來(lái).具體設(shè)計(jì)如下:在圖1中燈泡上串接上一個(gè)電流傳感器,啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集器,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S,數(shù)據(jù)采集器采集流經(jīng)燈泡的電流信號(hào),利用相關(guān)軟件直接畫出“i-t”圖像,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,從中可以清楚地觀察得出,流經(jīng)燈泡的電流在電鍵斷開(kāi)的一瞬間突然變得更大,很好地解釋了燈泡會(huì)“閃亮一下再熄滅”,并且圖像中清楚地看到流經(jīng)燈泡的電流方向發(fā)生了改變.借用現(xiàn)代教育技術(shù)中的傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn),讓傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法呈現(xiàn)的“電流反向”清楚地展現(xiàn)在學(xué)生面前,讓“燈泡閃亮一下再熄滅”更加具有說(shuō)服力.

        圖2 利用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)“斷電自感”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)得到的i-t圖像

        傳感器技術(shù)有著靈敏捕捉信號(hào)、快速記錄數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)圖像顯示的強(qiáng)大功能,利用傳感器技術(shù)我們可以將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法捕捉和記入的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)出來(lái),實(shí)現(xiàn)暫態(tài)現(xiàn)象凝固化讓原先看不到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變得看得到.

        2 巧用手持技術(shù)將“看不清”變得“看得清”

        案例二:在“牛頓第二定律瞬時(shí)性的研究”的教學(xué)中,為了向?qū)W生展示:“繩子拉力可以發(fā)生突變,彈簧彈力不能發(fā)生突變”,通常會(huì)設(shè)計(jì)一組演示實(shí)驗(yàn),具體如下:

        圖3 實(shí)驗(yàn)一圖

        實(shí)驗(yàn)一:已知物體A和B的質(zhì)量均為m,通過(guò)輕質(zhì)彈簧相連,整個(gè)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài),如圖3所示,若突然撤去作用于繩子上的外力F,讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,而后分析撤去外力瞬間物體B的加速度?

        實(shí)驗(yàn)二:把A,B兩物體間的彈簧換成繩子,若突然撤去作用于繩子上的外力F,讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,而后分析撤去外力瞬間物體B的加速度?

        筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn),由于物體下落很快,學(xué)生很難憑借肉眼觀察到A,B兩物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況,進(jìn)而分析物體B在撤去外力F瞬間的加速度.若能讓整個(gè)下落過(guò)程慢下來(lái),這樣就能讓學(xué)生通過(guò)觀察下落過(guò)程中A,B兩物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況來(lái)分析撤去外力瞬間物體B的加速度,并通過(guò)對(duì)比體會(huì)繩子和彈簧的區(qū)別.利用現(xiàn)代智能手機(jī)中的“慢動(dòng)作”拍攝,很好地達(dá)到上述效果,為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)感,課堂上現(xiàn)場(chǎng)拍攝視頻,用現(xiàn)代教育技術(shù)中的同屏軟件,將手機(jī)屏幕同步到投影儀上,讓所有學(xué)生都能清楚的看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,并且通過(guò)背景墻面的標(biāo)記物可以利用視頻截取圖片進(jìn)行定格分析.

        圖4 物體A,B間用彈簧連接,撤去外力F前,A,B兩物體的位置

        圖5 物體A,B間用彈簧連接,撤去外力F后,A,B兩物體的位置

        圖6 物體A,B間用繩子連接,撤去外力F前A,B兩物體的位置

        圖7 物體A,B間用繩子連接,撤去外力F后,A,B兩物體的位置

        本次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)利用現(xiàn)代技術(shù)中的“慢動(dòng)作”很好地讓學(xué)生觀察到清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,符合“先實(shí)驗(yàn)探究、后理論分析”的認(rèn)知順序.

        3 巧用應(yīng)用軟件將“定性看”變成“定量看”

        案例三:在運(yùn)動(dòng)的合成與分解的教學(xué)中,教材設(shè)計(jì)了“紅蠟塊實(shí)驗(yàn)”,意在通過(guò)學(xué)生觀察“紅蠟塊”的運(yùn)動(dòng),來(lái)體會(huì)“分運(yùn)動(dòng)”“合運(yùn)動(dòng)”等概念,以及感受“合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)”之間的關(guān)系.在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)由于“紅蠟塊”是動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的,且沒(méi)有留下運(yùn)動(dòng)軌跡,學(xué)生很難觀察出紅蠟塊“合運(yùn)動(dòng)”的運(yùn)動(dòng)情況,更不用說(shuō)找到“合運(yùn)動(dòng)”與“分運(yùn)動(dòng)”之間的關(guān)系了.

        為了解決這個(gè)問(wèn)題,對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化,利用現(xiàn)代教育技術(shù)中的“慢動(dòng)作”拍攝,減緩紅蠟塊的運(yùn)動(dòng)速度,以便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察.但是怎么樣讓學(xué)生體會(huì)“紅蠟塊”水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)一定是勻速直線運(yùn)動(dòng)呢?并且知道合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)之間遵循平行四邊形定則呢?筆者在拍攝慢動(dòng)作視頻的基礎(chǔ)上,利用Tracker軟件進(jìn)行視頻的定量分析,很好地突破了上述教學(xué)難點(diǎn).具體做法如下:

        拍攝視頻1:將盛水玻璃管豎直放在小車上,用磁鐵將紅蠟塊(內(nèi)部插有鐵釘)吸在玻璃管底部,用同步電機(jī)(可用變頻電源調(diào)速)勻速拖動(dòng)小車運(yùn)動(dòng),使紅蠟塊在水平面做勻速運(yùn)動(dòng),如圖8所示.

        圖8 紅蠟塊水平勻速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

        拍攝視頻2:關(guān)閉電機(jī),移走管子上的磁鐵,釋放紅蠟塊,很快紅蠟塊將豎直向上做勻速直線運(yùn)動(dòng),如圖9所示.

        圖9 紅蠟塊豎直向上勻速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

        拍攝視頻3:?jiǎn)?dòng)電動(dòng)機(jī)后,立即釋放紅蠟塊,使紅蠟塊一邊水平向右勻速運(yùn)動(dòng),一邊向上做勻速運(yùn)動(dòng),如圖10所示.

        圖10 紅蠟塊合運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

        視頻分析:

        (1)對(duì)視頻1分析(具體操作過(guò)程略去)

        從x-t圖像(圖11)中我們發(fā)現(xiàn),紅蠟塊在電機(jī)啟動(dòng)階段做加速運(yùn)動(dòng)后很快做勻速運(yùn)動(dòng),對(duì)x-t圖像進(jìn)行線性擬合,得到紅蠟塊做勻速運(yùn)動(dòng)的速度為0.035 m/s.

        圖11 紅蠟塊實(shí)驗(yàn)視頻1的x-t圖像

        (2)對(duì)視頻2進(jìn)行分析(具體操作過(guò)程略去)

        從y-t圖像(圖12)中我們發(fā)現(xiàn),紅蠟塊在釋放初始階段做加速運(yùn)動(dòng)后很快做勻速運(yùn)動(dòng),對(duì)y-t圖像進(jìn)行線性擬合,得到紅蠟塊做勻速運(yùn)動(dòng)的速度為0.057 m/s.

        圖12 紅蠟塊實(shí)驗(yàn)視頻2的y-t圖像

        (3)對(duì)視頻3分析(具體操作過(guò)程略去)

        從x-t圖像中我們發(fā)現(xiàn),紅蠟塊在釋放初始階段做加速運(yùn)動(dòng)后很快做勻速運(yùn)動(dòng),對(duì)x-t圖像進(jìn)行線性擬合,得到紅蠟塊做勻速運(yùn)動(dòng)的速度為0.067 m/s.

        圖13 紅蠟塊實(shí)驗(yàn)視頻3的x-t圖像

        定量分析:驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)的合成與分解滿足平行四邊形定則,兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)互相垂直,計(jì)算兩個(gè)分速度的平方和

        合速度平方

        得到

        說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的合成滿足平行四邊行定則.

        本次實(shí)驗(yàn)改進(jìn)利用現(xiàn)代技術(shù)中的“視頻編輯軟件”很好地讓學(xué)生體會(huì)到“合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”,感受到物理實(shí)驗(yàn)和物理規(guī)律的完美契合.

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