魏鵬琪 宋麗穎
(1.上海市浦東復旦附中分校,上海 201209;2.上海市浦東復旦附中分校,上海 201209)
彈力,作為高中物理力學部分重要的內容之一,在生活中具有廣泛的應用.“探究彈簧彈力與形變量關系”是節(jié)選自上??茖W技術出版社出版的新教材《物理》(必修1)第3章“相互作用與力的平衡”第1節(jié)“生活中常見的力”當中的學生實驗.該實驗是新教材中第一個出現的探究性實驗,因此,對于學生科學探究品質的養(yǎng)成具有重要的意義.
學生在初中學習過,彈力的大小與形變量有關,但基本都是基于觀察的定性了解,對于定量關系還沒有掌握.從基本能力上講,學生已經具備了簡單實驗操作能力、基礎數據分析能力,但是對于DIS實驗系統(tǒng)的運用能力尚有欠缺.
基于以上分析,設計了以下教學目標和教學重難點.
教學重點:探究彈簧的彈力與伸長量之間的關系,理解胡克定律.
教學難點:使學生經歷較完整的科學探究過程,提升科學探究能力.
在教材當中,原理是利用二力平衡,將測量彈簧彈力轉化為鉤碼的重力.通過懸掛不同質量的鉤碼,測量彈簧對應的形變量,分析相應數據,得到彈簧彈力與形變量的關系.實驗裝置如圖1所示.
圖1
教材實驗的設計具有兩個優(yōu)點.一是原理簡單、便于理解;二是能鍛煉學生對于基本實驗器材的操作能力,如刻度尺度數、描跡作圖等.同時也存在兩個問題,一是用刻度尺多次測量彈簧長度容易產生多次誤差;二是每一次都等待鉤碼靜止后方可讀取刻度尺示數,因此整個實驗耗時較長,效率不高.
基于以上分析,又鑒于學生具有很強的好奇心,也為了培養(yǎng)他們的動手能力和DIS實驗操作能力,本文替換了部分實驗器材,重新設計了實驗方案,以此突出重點、突破難點.
2.3.1 升級硬件、提高精度
在該實驗中,用DIS一體式位移傳感器代替刻度尺,測量彈簧形變量,用DIS力傳感器代替力傳感器,測量彈簧彈力,如圖2所示.本文主張采用數字化的測量儀器,主要出于3點原因考慮:首先是便捷.數字化的測量儀器操作簡單,可視化窗口方便學生獲取信息,且可以便捷地更換彈簧,進行對照組實驗,從而引出勁度系數和彈性限度兩個重要的物理概念;其次是準確.傳統(tǒng)刻度尺讀數,只能精確到小數點后2位,而一體式位移傳感器可以測量到小數點后3位,所以,數字化的測量儀器可以在很大程度上提升測量的精度,凸顯實驗改進后的效果.
2.3.2 節(jié)約用時,提高效率
首先,使用改進后的實驗裝置,可以僅僅通過一次對彈簧的拉拽,就獲取比傳統(tǒng)實驗多出幾十倍的實驗數據,從而極大地減少作圖產生的誤差,效果見圖3.其次,利用改進后的實驗裝置,可以獲取一組連續(xù)增加的拉力值,整個實驗過程快速、高效,僅僅需要10s,就可以完成傳統(tǒng)實驗20min的探究過程,極大地提升了實驗效率.
通過觀察不難發(fā)現,彈簧的伸長量越大,產生的彈力越大.那么不妨以彈簧作為研究對象,彈力與形變量之間,又有怎樣的定量關系呢?
彈簧上端懸掛在固定好的力傳感器的掛鉤上,下端與繞過定滑輪的細繩相連,調整位移傳感器與彈簧末端的圓盤側邊正對.將傳感器通過數據采集器與計算機相連.搭建好的裝置如圖4所示.
圖4
其中力傳感器可以測得各個時刻彈簧的彈力,位移傳感器可以探知各時刻圓盤的位置,即彈簧末端的位置.
器材連接注意事項:
(1)關于調零:力傳感器和位移傳感器需在開始實驗前(彈簧和圓盤靜止狀態(tài))進行調零,以保證力傳感器所測力為彈簧在某一時刻的彈力,位移傳感器所探測到的位置值就是彈簧的伸長量.
(2)位移傳感器的測量范圍是15c m—600c m之間,因此放置其下方圓盤和彈簧時要注意間距保證實驗中d>15c m.
(3)固定滑輪組裝置:可以實現對彈簧豎直、穩(wěn)定的拉拽過程.此外,為避免施加拉力時圓盤發(fā)生抖動或者轉動,引起形變量測量誤差,應緩慢拉動細線.
DIS傳感器可以準確獲取物理量的信息,我們可以用力傳感器測量彈簧彈力F,用位移傳感器測量彈簧的伸長量x,在一次彈簧的伸長過程中得到F與x的一系列數據點,通過計算機直觀觀察到F-x的關系.
學生活動1:初步探究彈簧彈力與形變量的關系.
(1)打開 DISlab7.0,選擇“通用軟件”,點擊“圖像模式”,點擊“圖線選擇—添加”,將位移傳感器測得的形變量x設置為橫坐標,將力傳感器測得的力F設置為縱坐標如圖5所示.
圖5
(2)點擊“采集控制—調零—開始”,同時拉拽細繩,在一次拉拽過程中得到F-x形成的離散的點,如圖6所示.
圖6
(3)用圖線擬合得到F-x圖像,如圖7所示.
圖7
說明:通過此環(huán)節(jié)可以得到“彈簧彈力與形變量成正比”的實驗結論.傳統(tǒng)實驗,到這里就結束了,但是借助本裝置,我們可以進一步深入探究.
學生活動2:探究彈簧勁度系數的物理意義.
更換彈簧,重復上述實驗.換用不同彈簧,重復剛才的實驗操作——我們會發(fā)現,彈簧的彈力與形變量依然成正比,但是斜率卻明顯發(fā)生了變化,如圖8.這說明,彈力與彈簧伸長量的比值與彈簧自身有關,我們將之定義為:勁度系數.
圖8
說明:彈簧原長、材料、彈簧絲的粗細、彈簧圈的直徑、單位長度的匝數、甚至是環(huán)境溫度等都可以引起彈簧勁度系數的改變,如時間充裕,本實驗中也可以改變其他實驗條件,引導學生自主設計方案,探究哪些因素會引起彈簧勁度系數的改變.
學生活動3:探究胡克定律的適用條件.
對彈簧進行大幅度拉拽,觀察彈力F與伸長量x的關系圖像,如圖9.會發(fā)現,在形變量超出某個數值后,二者不再成正比關系.這表明,在外力作用下,當物體的形變超過其彈性限度后,所產生的形變不能完全恢復或完全不能恢復,即物體產生了塑性形變(也稱為范性形變).
圖9
說明:此處需要向學生指出的是,不能認為當物體發(fā)生塑性形變就完全失去了彈性,此時只是其形變與外力的關系已不再滿足胡克定律而已.此外,通過此實驗也可以提醒學生今后不要過度拉拽彈簧,防止其損壞,養(yǎng)成愛惜實驗器材的良好習慣.
在彈性限度內,彈簧發(fā)生彈性形變時,彈力的大小F與彈簧的形變量x成正比,即F=k x,其中k稱為彈簧的勁度系數.
思考1:沒有一個實驗是完美的,但是可以逐步逼近完美.請你從分析教材實驗與改進實驗,各自的優(yōu)劣?
說明:此處可以引導學生從多角度回答.學生課堂最開始經歷了傳統(tǒng)實驗,相對而言,原理較為簡單,且可以鍛煉其實驗操作能力,數據處理能力等;通過創(chuàng)新實驗,學生可以感受到科學技術對物理學進步的推動作用.兩個實驗側重點不同,各有千秋.因此,我們應該客觀理性的看待二者優(yōu)缺點,取長補短,養(yǎng)成“根據需要制定合適的實驗方案”的科學探究意識.
思考2:實驗的過程帶給了你哪些啟發(fā)和感想?
說明:這一部分可以從創(chuàng)新設計的3個實驗引導回答.當做完第1個實驗,得到“彈簧彈力與伸長量成正比”的實驗結論時,學生會覺得問題已經解決了.但是很快,勁度系數的引入,豐富了胡克定律的內涵;再往后“彈性限度”的提出,又讓同學們了解了任何規(guī)律都有其適用范圍.而“所謂科學,也不是給出一個永恒存在的真理,而是給永遠存在的錯誤在不斷地劃定著界限.”
(1)該實驗的改進裝置,連接相對比較簡單,但是對器材的擺放位置有一定要求,如一體式位移傳感器的測量范圍是15c m—600c m,測量正對面積需大于4c m2,因此對于輕質泡沫圓盤的面積有大小要求.連接后需要對裝置進行細致的安裝、調試.
(2)整個實驗過程中,僅完成的是對彈簧彈力與伸長量的關系探究.后續(xù)還可以換用不同種類的彈簧,實現對于壓縮量的研究,從而使胡克定律的探究過程更加嚴謹、完整.
(3)物理學中有很多微觀化的物理現象、抽象概念、生活的前概念認知阻礙等,都必然要求物理實驗現象明顯,可視化強.數字化實驗在快捷收集處理實驗數據,顯性化研究物理規(guī)律,定量化建構物理概念,可視化建立物理規(guī)律方面的作用十分顯著,因此,本實驗中,利用DIS數字化信息系統(tǒng),學生更能體會到科學發(fā)現與探究的無窮樂趣,實現了理論與實驗的完美結合,從而激發(fā)興趣,培養(yǎng)科學思維,提升科學素養(yǎng).