林紹乾

成都樹德中學(xué)，成都 610014

物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要構(gòu)成，高中物理實(shí)驗(yàn)一般分為探究性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)兩類。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)具有目標(biāo)明確、程序清晰、實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)、操作規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)[1]，在物理教學(xué)中具有不可替代的作用。探究性實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)、培養(yǎng)科學(xué)思維的重要環(huán)節(jié)及關(guān)鍵載體。因此，新版本教材中探究性實(shí)驗(yàn)居多，僅保留了少部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而機(jī)械能守恒定律的驗(yàn)證就是其中之一。

機(jī)械能守恒定律是高中物理中解決力學(xué)問題的重要工具，在處理多對象、多過程的復(fù)雜問題時(shí)具有重要地位。機(jī)械能守恒并非普適性定律，其應(yīng)用需滿足一定外界條件，如何尋找機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的守恒量，探究在什么條件下滿足機(jī)械能守恒，是機(jī)械能教學(xué)中的難點(diǎn)。教材中機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)或許是出于課堂容量和課堂效率的考量采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。但研究發(fā)現(xiàn)，也可基于教材“尋找守恒量”的思想，在提出問題及猜想假設(shè)后，提供不同的器材，引導(dǎo)學(xué)生基于不同運(yùn)動(dòng)模型去設(shè)計(jì)多種可行性的實(shí)驗(yàn)方案。教師通過此種方式將教材中簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)重于對實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的探究實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生搭建科學(xué)思維訓(xùn)練的平臺(tái)，從而提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。

1 教材中機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2013年以及2019年的人教版和教科版教材在機(jī)械能教學(xué)的編排上都是從理論驗(yàn)證角度出發(fā)，推導(dǎo)出單個(gè)物體從光滑斜面下滑或自由下落過程中的機(jī)械能守恒定律；證明在僅有彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與彈性勢能相互轉(zhuǎn)化且總機(jī)械能不變。從而得出結(jié)論：只有在重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。老版本的高中物理教材驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)（圖1）有以下優(yōu)點(diǎn)及不足（表 1）。

表1 自由落體運(yùn)動(dòng)探究機(jī)械能守恒的優(yōu)點(diǎn)及不足

圖1 自由落體驗(yàn)證機(jī)械能守恒

2019年版人教版教材中除自由落體的機(jī)械能守恒的證明外，推廣到了沿斜面下滑的物體機(jī)械能守恒驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)利用氣墊導(dǎo)軌、光電門提高物體速度的測量精度，減小阻力對守恒的影響（圖2），但并未從本質(zhì)驗(yàn)證系統(tǒng)機(jī)械能守恒及曲線運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能守恒。

圖2 利用氣墊導(dǎo)軌、光電門驗(yàn)證機(jī)械能守恒

開放性實(shí)驗(yàn)探究含創(chuàng)設(shè)情境、提出問題、猜想假設(shè)、制訂計(jì)劃并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)、分析論證和評估交流合作七要素?？蛇x擇其中某一環(huán)節(jié)，對驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改良，變?yōu)椴糠痔骄繉?shí)驗(yàn)。在制訂計(jì)劃并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案維度，可設(shè)計(jì)曲線運(yùn)動(dòng)下的機(jī)械能守恒以及系統(tǒng)機(jī)械能守恒的方案。

2 核心素養(yǎng)視域下的機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)探究改良

教材通過理論推導(dǎo)得出了機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容后，給出了例題：把一個(gè)小球用細(xì)線懸掛起來，就成為一個(gè)擺（圖3），擺長為 l，最大偏角為θ。如果阻力可以忽略，小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)的速度大小是多少？

圖3 單擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒

由表2可知，在實(shí)驗(yàn)器材條件重組的情況下，利用單擺模型可以設(shè)計(jì)出兩種不同的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)方案。

表2 利用單擺進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng)下機(jī)械能守恒的驗(yàn)證改良與優(yōu)化

續(xù)表2

3 基于Tracker軟件的系統(tǒng)機(jī)械能守恒定律探究

證明多對象組成的系統(tǒng)中，受重力以及系統(tǒng)內(nèi)的彈力作用條件下的系統(tǒng)機(jī)械能守恒是學(xué)生學(xué)習(xí)過程的另一難點(diǎn)，常見的此類實(shí)驗(yàn)方案如圖7—圖10所示。

圖7 連接體系統(tǒng)機(jī)械能守恒

圖8 彈性碰撞系統(tǒng)機(jī)械能守恒

圖9 單擺碰撞系統(tǒng)機(jī)械能守恒

圖10 豎直面內(nèi)彈簧振子

此類實(shí)驗(yàn)均未能解決學(xué)生對于機(jī)械能守恒的核心困惑，即存在彈性勢能轉(zhuǎn)化下的系統(tǒng)機(jī)械能守恒的驗(yàn)證。由于高中階段對彈性勢能的公式不做直接要求，在教材的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中也就未涉及對此類機(jī)械能守恒的證明，學(xué)生缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)以及證明。從培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的角度出發(fā)，在課后拓展延伸時(shí)提供一個(gè)備選的實(shí)驗(yàn)方案，即選擇涉及到動(dòng)能、彈性勢能、重力勢能相互轉(zhuǎn)化的最基礎(chǔ)模型——豎直平面內(nèi)的彈簧振子作為研究對象。

基本思路如下：

（1）利用線性變力做功推導(dǎo)彈性勢能的公式；

（2）結(jié)合視頻追蹤軟件記錄物體運(yùn)動(dòng)過程中的位移和速度；

（3）利用表格提前設(shè)計(jì)出動(dòng)能、重力勢能、彈性勢能的計(jì)算公式；

（4）表格處理數(shù)據(jù)，并描繪圖像，由學(xué)生總結(jié)出規(guī)律。

通過以上思路，完成涉及到動(dòng)能、彈性勢能、重力勢能轉(zhuǎn)化下的系統(tǒng)機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)探究。

在視頻追蹤軟件、硬件的選取過程中，對比Kinect傳感器和Tracker軟件。前者雖然精度更高，且數(shù)據(jù)獲得更為直觀，但鑒于需要單獨(dú)采購，且集成度過高，不利于學(xué)生思維訓(xùn)練以及推廣使用。最終采用可以免費(fèi)獲取的Tracker軟件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

視頻分析軟件Tracker主要通過分析物理實(shí)驗(yàn)的視頻，追蹤視頻中所研究質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而簡便高效地得出實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)。其具有如下特點(diǎn)：

（1）追蹤高效

該軟件可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)的高效追蹤，進(jìn)而得出物體位置、速度及加速度的數(shù)據(jù)，并且利用數(shù)據(jù)生成相應(yīng)圖表。

（2）模擬準(zhǔn)確

可建立追蹤質(zhì)心甚至兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型。

（3）操作便捷，獲取免費(fèi)

Tracker軟件與頻閃照相原理相似，學(xué)生易于理解其原理，同時(shí)更易獲取，操作便捷，其與頻閃照相的優(yōu)劣對比如表3所示。

利用Tracker軟件驗(yàn)證豎直平面內(nèi)彈簧振子系統(tǒng)機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

（一）實(shí)驗(yàn)器材

鐵架臺(tái)、彈簧、紅色實(shí)心金屬球、白色底板（利于計(jì)算機(jī)軟件對研究對象追蹤）。

（二）實(shí)驗(yàn)原理

Tracker軟件原理如表3所示。

表3 Tracker軟件與頻閃照相對比

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

1.拍攝視頻：彈簧一端與鐵架臺(tái)相連，一端與小球相連。將白色底板放置于裝置背后，便于軟件對小球運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤。選擇合適機(jī)位，開始錄像后，將小球從彈簧處于原長狀態(tài)由靜止開始釋放，記錄小球在豎直面內(nèi)的振動(dòng)過程，時(shí)長約為10 s。

2.打開Tracker軟件，導(dǎo)入視頻。選擇質(zhì)點(diǎn)，確定標(biāo)度，打開軟件自動(dòng)追蹤功能，點(diǎn)擊開始追蹤后在軟件中記錄下小球豎直方向的位置坐標(biāo)及其對應(yīng)時(shí)間關(guān)系（圖11）。

圖11 利用Tracker軟件采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.復(fù)制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Excel表格，表格設(shè)置為以下項(xiàng)目（圖12）：

圖12 Excel表格內(nèi)容

（1）表格采集數(shù)據(jù)

表格中運(yùn)動(dòng)時(shí)間t、偏離彈簧釋放點(diǎn)（原長距離）y和小球運(yùn)動(dòng)速度v三組數(shù)據(jù)為Tracker軟件數(shù)據(jù)采集后直接獲得。

（2）Excel表格計(jì)算數(shù)據(jù)

動(dòng)能、重力勢能、彈性勢能需要根據(jù)提前鋪墊的知識(shí)在表格中編輯對應(yīng)公式：

（3）測量數(shù)據(jù)

小球質(zhì)量m=0.12 kg，彈簧勁度系數(shù)k=6.5 N/m，重力加速度g=9.8 m/s2。

（四）數(shù)據(jù)處理

將Tracker軟件中記錄的時(shí)間t以及豎直位置坐標(biāo)y導(dǎo)入表格，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)計(jì)算即可得到系統(tǒng)不同時(shí)刻的動(dòng)能、彈性勢能、重力勢能和機(jī)械能情況（圖13）。再利用Excel中數(shù)據(jù)處理圖像功能擬合出圖像，即可得到集成動(dòng)能、重力勢能、彈性勢能和機(jī)械能隨時(shí)間變化的圖像（圖14）。

圖13 探究小球及彈簧系統(tǒng)振動(dòng)過程中機(jī)械能變化情況

圖14 探究小球及彈簧系統(tǒng)振動(dòng)過程能量隨時(shí)間變化E-t圖像

（五）誤差分析及反思

本實(shí)驗(yàn)的誤差來源主要是標(biāo)度尺的測量精度，以及計(jì)算機(jī)對視頻物體的追蹤定位精度[2]。因此，減小誤差需要注意兩個(gè)方面：選擇精準(zhǔn)的測量參照物，選定合適標(biāo)度；在視頻物體的追蹤定位出現(xiàn)誤差時(shí)需要手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，學(xué)生從圖表數(shù)據(jù)歸納得出，在誤差允許的范圍內(nèi)，豎直平面內(nèi)的簡諧振動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

本實(shí)驗(yàn)通過課堂對彈簧振子模型的驗(yàn)證，使學(xué)生掌握軟件的基本使用方法，進(jìn)而可在課后利用該軟件進(jìn)一步研究平拋、斜拋、豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)甚至是復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)情況，為學(xué)生提供了探索復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況的途徑，實(shí)現(xiàn)了從課內(nèi)向課外的拓展延伸。

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)思維與科學(xué)探究能力培養(yǎng)的重要載體，探究性實(shí)驗(yàn)以及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)雖然在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力中具有不同方面的側(cè)重，但本身可以相互切換、改良與互補(bǔ)。因此，教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，針對不同的學(xué)生、不同的課時(shí)安排，可以圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)核心，以教材實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)備為依托，根據(jù)不同的物理模型，從而提供不同實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)與鋪墊后，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、改良與創(chuàng)新。在完成教材中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)基本要求后，讓學(xué)生擁有更為廣闊的探索與設(shè)計(jì)空間，對于學(xué)生科學(xué)思維、質(zhì)疑創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有重大意義。