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，斷開開關(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.