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        “探究彈簧彈力與形變量關(guān)系”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

        2022-01-12 04:24:58魏鵬琪宋麗穎
        物理教師 2021年12期
        關(guān)鍵詞:勁度系數(shù)彈力彈簧

        魏鵬琪 宋麗穎

        (1.上海市浦東復(fù)旦附中分校,上海 201209;2.上海市浦東復(fù)旦附中分校,上海 201209)

        1 設(shè)計(jì)背景

        彈力,作為高中物理力學(xué)部分重要的內(nèi)容之一,在生活中具有廣泛的應(yīng)用.“探究彈簧彈力與形變量關(guān)系”是節(jié)選自上海科學(xué)技術(shù)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(jiàn)的力”當(dāng)中的學(xué)生實(shí)驗(yàn).該實(shí)驗(yàn)是新教材中第一個(gè)出現(xiàn)的探究性實(shí)驗(yàn),因此,對(duì)于學(xué)生科學(xué)探究品質(zhì)的養(yǎng)成具有重要的意義.

        學(xué)生在初中學(xué)習(xí)過(guò),彈力的大小與形變量有關(guān),但基本都是基于觀察的定性了解,對(duì)于定量關(guān)系還沒(méi)有掌握.從基本能力上講,學(xué)生已經(jīng)具備了簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)操作能力、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析能力,但是對(duì)于DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用能力尚有欠缺.

        基于以上分析,設(shè)計(jì)了以下教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重難點(diǎn).

        教學(xué)重點(diǎn):探究彈簧的彈力與伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系,理解胡克定律.

        教學(xué)難點(diǎn):使學(xué)生經(jīng)歷較完整的科學(xué)探究過(guò)程,提升科學(xué)探究能力.

        2 設(shè)計(jì)思路

        2.1 教材實(shí)驗(yàn)的裝置及原理

        在教材當(dāng)中,原理是利用二力平衡,將測(cè)量彈簧彈力轉(zhuǎn)化為鉤碼的重力.通過(guò)懸掛不同質(zhì)量的鉤碼,測(cè)量彈簧對(duì)應(yīng)的形變量,分析相應(yīng)數(shù)據(jù),得到彈簧彈力與形變量的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

        圖1

        2.2 教材實(shí)驗(yàn)的教學(xué)作用及局限性

        教材實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn).一是原理簡(jiǎn)單、便于理解;二是能鍛煉學(xué)生對(duì)于基本實(shí)驗(yàn)器材的操作能力,如刻度尺度數(shù)、描跡作圖等.同時(shí)也存在兩個(gè)問(wèn)題,一是用刻度尺多次測(cè)量彈簧長(zhǎng)度容易產(chǎn)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(shù),因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng),效率不高.

        基于以上分析,又鑒于學(xué)生具有很強(qiáng)的好奇心,也為了培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力和DIS實(shí)驗(yàn)操作能力,本文替換了部分實(shí)驗(yàn)器材,重新設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案,以此突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn).

        2.3 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

        2.3.1 升級(jí)硬件、提高精度

        在該實(shí)驗(yàn)中,用DIS一體式位移傳感器代替刻度尺,測(cè)量彈簧形變量,用DIS力傳感器代替力傳感器,測(cè)量彈簧彈力,如圖2所示.本文主張采用數(shù)字化的測(cè)量?jī)x器,主要出于3點(diǎn)原因考慮:首先是便捷.數(shù)字化的測(cè)量?jī)x器操作簡(jiǎn)單,可視化窗口方便學(xué)生獲取信息,且可以便捷地更換彈簧,進(jìn)行對(duì)照組實(shí)驗(yàn),從而引出勁度系數(shù)和彈性限度兩個(gè)重要的物理概念;其次是準(zhǔn)確.傳統(tǒng)刻度尺讀數(shù),只能精確到小數(shù)點(diǎn)后2位,而一體式位移傳感器可以測(cè)量到小數(shù)點(diǎn)后3位,所以,數(shù)字化的測(cè)量?jī)x器可以在很大程度上提升測(cè)量的精度,凸顯實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的效果.

        2.3.2 節(jié)約用時(shí),提高效率

        首先,使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置,可以僅僅通過(guò)一次對(duì)彈簧的拉拽,就獲取比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)多出幾十倍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從而極大地減少作圖產(chǎn)生的誤差,效果見(jiàn)圖3.其次,利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置,可以獲取一組連續(xù)增加的拉力值,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程快速、高效,僅僅需要10s,就可以完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)20min的探究過(guò)程,極大地提升了實(shí)驗(yàn)效率.

        3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程

        3.1 提出問(wèn)題

        通過(guò)觀察不難發(fā)現(xiàn),彈簧的伸長(zhǎng)量越大,產(chǎn)生的彈力越大.那么不妨以彈簧作為研究對(duì)象,彈力與形變量之間,又有怎樣的定量關(guān)系呢?

        3.2 實(shí)驗(yàn)器材和裝置

        彈簧上端懸掛在固定好的力傳感器的掛鉤上,下端與繞過(guò)定滑輪的細(xì)繩相連,調(diào)整位移傳感器與彈簧末端的圓盤(pán)側(cè)邊正對(duì).將傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)相連.搭建好的裝置如圖4所示.

        圖4

        其中力傳感器可以測(cè)得各個(gè)時(shí)刻彈簧的彈力,位移傳感器可以探知各時(shí)刻圓盤(pán)的位置,即彈簧末端的位置.

        器材連接注意事項(xiàng):

        (1)關(guān)于調(diào)零:力傳感器和位移傳感器需在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前(彈簧和圓盤(pán)靜止?fàn)顟B(tài))進(jìn)行調(diào)零,以保證力傳感器所測(cè)力為彈簧在某一時(shí)刻的彈力,位移傳感器所探測(cè)到的位置值就是彈簧的伸長(zhǎng)量.

        (2)位移傳感器的測(cè)量范圍是15c m—600c m之間,因此放置其下方圓盤(pán)和彈簧時(shí)要注意間距保證實(shí)驗(yàn)中d>15c m.

        (3)固定滑輪組裝置:可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧豎直、穩(wěn)定的拉拽過(guò)程.此外,為避免施加拉力時(shí)圓盤(pán)發(fā)生抖動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng),引起形變量測(cè)量誤差,應(yīng)緩慢拉動(dòng)細(xì)線.

        3.3 實(shí)驗(yàn)原理

        DIS傳感器可以準(zhǔn)確獲取物理量的信息,我們可以用力傳感器測(cè)量彈簧彈力F,用位移傳感器測(cè)量彈簧的伸長(zhǎng)量x,在一次彈簧的伸長(zhǎng)過(guò)程中得到F與x的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn),通過(guò)計(jì)算機(jī)直觀觀察到F-x的關(guān)系.

        3.4 實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)收集

        學(xué)生活動(dòng)1:初步探究彈簧彈力與形變量的關(guān)系.

        (1)打開(kāi) DISlab7.0,選擇“通用軟件”,點(diǎn)擊“圖像模式”,點(diǎn)擊“圖線選擇—添加”,將位移傳感器測(cè)得的形變量x設(shè)置為橫坐標(biāo),將力傳感器測(cè)得的力F設(shè)置為縱坐標(biāo)如圖5所示.

        圖5

        (2)點(diǎn)擊“采集控制—調(diào)零—開(kāi)始”,同時(shí)拉拽細(xì)繩,在一次拉拽過(guò)程中得到F-x形成的離散的點(diǎn),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(shuō)明:通過(guò)此環(huán)節(jié)可以得到“彈簧彈力與形變量成正比”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),到這里就結(jié)束了,但是借助本裝置,我們可以進(jìn)一步深入探究.

        學(xué)生活動(dòng)2:探究彈簧勁度系數(shù)的物理意義.

        更換彈簧,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn).換用不同彈簧,重復(fù)剛才的實(shí)驗(yàn)操作——我們會(huì)發(fā)現(xiàn),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(shuō)明,彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的比值與彈簧自身有關(guān),我們將之定義為:勁度系數(shù).

        圖8

        說(shuō)明:彈簧原長(zhǎng)、材料、彈簧絲的粗細(xì)、彈簧圈的直徑、單位長(zhǎng)度的匝數(shù)、甚至是環(huán)境溫度等都可以引起彈簧勁度系數(shù)的改變,如時(shí)間充裕,本實(shí)驗(yàn)中也可以改變其他實(shí)驗(yàn)條件,引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)方案,探究哪些因素會(huì)引起彈簧勁度系數(shù)的改變.

        學(xué)生活動(dòng)3:探究胡克定律的適用條件.

        對(duì)彈簧進(jìn)行大幅度拉拽,觀察彈力F與伸長(zhǎng)量x的關(guān)系圖像,如圖9.會(huì)發(fā)現(xiàn),在形變量超出某個(gè)數(shù)值后,二者不再成正比關(guān)系.這表明,在外力作用下,當(dāng)物體的形變超過(guò)其彈性限度后,所產(chǎn)生的形變不能完全恢復(fù)或完全不能恢復(fù),即物體產(chǎn)生了塑性形變(也稱為范性形變).

        圖9

        說(shuō)明:此處需要向?qū)W生指出的是,不能認(rèn)為當(dāng)物體發(fā)生塑性形變就完全失去了彈性,此時(shí)只是其形變與外力的關(guān)系已不再滿足胡克定律而已.此外,通過(guò)此實(shí)驗(yàn)也可以提醒學(xué)生今后不要過(guò)度拉拽彈簧,防止其損壞,養(yǎng)成愛(ài)惜實(shí)驗(yàn)器材的良好習(xí)慣.

        3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        在彈性限度內(nèi),彈簧發(fā)生彈性形變時(shí),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(shù).

        3.6 交流與討論

        思考1:沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)是完美的,但是可以逐步逼近完美.請(qǐng)你從分析教材實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)實(shí)驗(yàn),各自的優(yōu)劣?

        說(shuō)明:此處可以引導(dǎo)學(xué)生從多角度回答.學(xué)生課堂最開(kāi)始經(jīng)歷了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),相對(duì)而言,原理較為簡(jiǎn)單,且可以鍛煉其實(shí)驗(yàn)操作能力,數(shù)據(jù)處理能力等;通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以感受到科學(xué)技術(shù)對(duì)物理學(xué)進(jìn)步的推動(dòng)作用.兩個(gè)實(shí)驗(yàn)側(cè)重點(diǎn)不同,各有千秋.因此,我們應(yīng)該客觀理性的看待二者優(yōu)缺點(diǎn),取長(zhǎng)補(bǔ)短,養(yǎng)成“根據(jù)需要制定合適的實(shí)驗(yàn)方案”的科學(xué)探究意識(shí).

        思考2:實(shí)驗(yàn)的過(guò)程帶給了你哪些啟發(fā)和感想?

        說(shuō)明:這一部分可以從創(chuàng)新設(shè)計(jì)的3個(gè)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)回答.當(dāng)做完第1個(gè)實(shí)驗(yàn),得到“彈簧彈力與伸長(zhǎng)量成正比”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí),學(xué)生會(huì)覺(jué)得問(wèn)題已經(jīng)解決了.但是很快,勁度系數(shù)的引入,豐富了胡克定律的內(nèi)涵;再往后“彈性限度”的提出,又讓同學(xué)們了解了任何規(guī)律都有其適用范圍.而“所謂科學(xué),也不是給出一個(gè)永恒存在的真理,而是給永遠(yuǎn)存在的錯(cuò)誤在不斷地劃定著界限.”

        4 針對(duì)該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)與總結(jié)

        (1)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置,連接相對(duì)比較簡(jiǎn)單,但是對(duì)器材的擺放位置有一定要求,如一體式位移傳感器的測(cè)量范圍是15c m—600c m,測(cè)量正對(duì)面積需大于4c m2,因此對(duì)于輕質(zhì)泡沫圓盤(pán)的面積有大小要求.連接后需要對(duì)裝置進(jìn)行細(xì)致的安裝、調(diào)試.

        (2)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,僅完成的是對(duì)彈簧彈力與伸長(zhǎng)量的關(guān)系探究.后續(xù)還可以換用不同種類的彈簧,實(shí)現(xiàn)對(duì)于壓縮量的研究,從而使胡克定律的探究過(guò)程更加嚴(yán)謹(jǐn)、完整.

        (3)物理學(xué)中有很多微觀化的物理現(xiàn)象、抽象概念、生活的前概念認(rèn)知阻礙等,都必然要求物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,可視化強(qiáng).數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在快捷收集處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),顯性化研究物理規(guī)律,定量化建構(gòu)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(shí)驗(yàn)中,利用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng),學(xué)生更能體會(huì)到科學(xué)發(fā)現(xiàn)與探究的無(wú)窮樂(lè)趣,實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合,從而激發(fā)興趣,培養(yǎng)科學(xué)思維,提升科學(xué)素養(yǎng).

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