利用DIS實現(xiàn)對中學(xué)物理力學(xué)實驗的改進(jìn)

黃惠娟

摘 要：DIS作為一種現(xiàn)代教育技術(shù)被引入物理實驗教學(xué)，旨在提高學(xué)生自主探究的能力和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實驗素養(yǎng)，促進(jìn)課堂教學(xué)模式多元化和學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變革，本文主要是對DIS在中學(xué)物理力學(xué)實驗中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：DIS；力學(xué)實驗；教學(xué)

目前在中學(xué)物理力學(xué)實驗教學(xué)方面，我們?nèi)匀皇遣捎帽容^傳統(tǒng)的實驗手段，即教師提供給學(xué)生相應(yīng)的實驗器材，學(xué)生自己動手進(jìn)行實驗，或者是課堂的演示實驗，還有就是利用一些視頻、flash文件等視頻資源課堂播放[1 ]。 然而利用DIS它能夠較精確地采集數(shù)據(jù)，比較直觀地進(jìn)行繪圖。作為一種現(xiàn)代教育技術(shù)被引入我們的物理實驗教學(xué)， 有助于促進(jìn)實驗教學(xué)模式的多元化。具備先進(jìn)的教育理念以及掌握先進(jìn)的教育技術(shù)和方法，對于現(xiàn)在的中學(xué)老師來說是十分必要的，因此本文主要是對DIS在中學(xué)物理力學(xué)實驗中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 DIS發(fā)展現(xiàn)狀

DIS在普通中學(xué)中用到的比較少，并且大部分時候是用在公開課的演示實驗，所以學(xué)生能夠接觸的機(jī)會很少，沒有充分挖掘出DIS的技術(shù)優(yōu)點。

即使DIS具有其先進(jìn)性和優(yōu)越性，但是鑒于在大部分中學(xué)中儀器的缺乏和普及速度的緩慢，DIS還是無法在福州的中學(xué)物理實驗教學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在配備有儀器的中學(xué)，DIS的優(yōu)勢也并沒有得到充分的發(fā)揮，例如學(xué)校主要是將這套儀器用于開展學(xué)校的校本課程，讓有興趣的同學(xué)自行設(shè)計實驗進(jìn)行研究；另外個別教師會將DIS系統(tǒng)用于教學(xué)實驗演示，直接讓學(xué)生可以看到直觀的數(shù)據(jù)圖象，得到物理結(jié)論。對于絕大部分學(xué)生來說，只是在上課看見過老師用這套儀器進(jìn)行實驗演示，也只聽到老師在演示實驗前簡單介紹一下這是利用傳感器設(shè)計的先進(jìn)的實驗儀器，但是對于這套DIS實驗系統(tǒng)具體是怎么回事，什么原理等還是一無所知，所以除了參加校本課程培訓(xùn)的少部分同學(xué)以外，大部分同學(xué)還是沒有更多機(jī)會能夠自己動手利用DIS來進(jìn)行物理實驗的操作，無法感受先進(jìn)的儀器給我們物理學(xué)習(xí)帶來的便利和幫助。

2 DIS在中學(xué)力學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用

物理必修2《向心力》一節(jié)內(nèi)容常常被作為公開課來教學(xué)，對于這節(jié)課，我也開了一堂用DIS進(jìn)行實驗探究的公開課，下面我簡介一下這節(jié)課DIS的應(yīng)用。

實驗儀器采用DIS實驗裝置以及圖1所示的向心力實驗器，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動起來以后，通過兩個通道的傳感器分別能夠感應(yīng)出某一時刻物體所受向心力F1的大小及轉(zhuǎn)軸上的立柱通過光電門所用的時間t2，這時提問學(xué)生：我們還需要哪些物理量來進(jìn)行實驗？要怎么得到這些物理量？引導(dǎo)學(xué)生回答可以根據(jù)光電門的寬度能夠得出物體的線速度v，通過物體的轉(zhuǎn)動半徑計算得角速度w，再在計算表格中加入計算角速度平方的公式q=w2；或者學(xué)生認(rèn)為研究線速度v和向心力的關(guān)系作為實驗方案，教師也可以表示贊同。然后讓學(xué)生根據(jù)方案添加物理量，進(jìn)行實驗提取數(shù)據(jù)。當(dāng)學(xué)生把轉(zhuǎn)軸快速轉(zhuǎn)動直到轉(zhuǎn)軸停下的過程中，上面的這5個變量就會呈現(xiàn)出一組數(shù)據(jù)，如圖2所示。

此時可讓學(xué)生猜想：根據(jù)這些數(shù)據(jù)我們怎么來研究向心力F1到底跟那些因素有關(guān)？引導(dǎo)學(xué)生通過圖像來研究。此時讓DIS選取X軸為w，Y軸為F1進(jìn)行繪圖，這個時候會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點分布具有拋物線特征，將數(shù)據(jù)點進(jìn)行二次多項式擬合，會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點與擬合線基本重合，如圖3所示，這個時候可以提出猜想認(rèn)為向心力F和角速度w之間是二次方關(guān)系。再讓學(xué)生提出別的方法來驗證，學(xué)生會提出做角速度平方項q和F1的曲線。那么通過相同辦法進(jìn)行繪圖后發(fā)現(xiàn)q和F1呈線形關(guān)系，并且圖線過原點，如圖4所示，從而驗證了之前的猜想，那么得到向心力與角速度的平方成正比的這樣一個結(jié)論。

接下來可以在不改變其他條件的情況下，改變物體轉(zhuǎn)動的半徑，再次轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸取得數(shù)據(jù)，用w和F進(jìn)繪圖可以得到圖5的結(jié)果，其中曲線所代表的半徑從上到下依次為0.12m、0.09m、0.06m，那么根據(jù)圖線就得到在其他變量保持一樣的情況下，半徑越大向心力越大的結(jié)論；更換不同質(zhì)量的物體，用同樣的方法取得數(shù)據(jù)繪圖得到圖6的圖線，其中上下曲線所代表的物體質(zhì)量分別為0.028kg和0.014kg，得到其他變量保持一樣時，質(zhì)量越大向心力越大的結(jié)論。根據(jù)以上實驗可以認(rèn)為物體在做圓周運(yùn)動的時候所受向心力跟物體的角速度的平方、半徑、質(zhì)量有關(guān)，并且都是成正比的關(guān)系，那么有式子F=kmw2R，此時存在一個比例系數(shù)k，那么如果我們能求得k的值是多少就能夠得出上述幾個變量和向心力之間的具體關(guān)系了。此時讓學(xué)生回答怎么來求得k的大小，學(xué)生回答用F2和kmw2R的值來對比。那么根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)，從上面圖2的數(shù)據(jù)圖可以看出比例系數(shù)k的平均值大致為1，那么向心力公式F=kmw2R就探究出來了。

3 利用DIS對中學(xué)物理力學(xué)實驗進(jìn)行改進(jìn)的具體措施

以往在向心力實驗案例的該節(jié)教學(xué)中，基本都是利用傳統(tǒng)的向心力演示儀來進(jìn)行這部分內(nèi)容的授課，讓學(xué)生觀看當(dāng)手搖柄帶動轉(zhuǎn)軸快速轉(zhuǎn)動的時候，固定物體的質(zhì)量和半徑，那么物體轉(zhuǎn)動速度越快，拉著物體的彈簧就拉伸的越長，從而得到速度越快，向心力越大的定性演示。但是實驗中隨著向心力變大彈簧拉伸，半徑也同時被改變了，所以并不能夠很好地說明問題，而且如果要演示物體的半徑或者質(zhì)量對向心力的影響，實驗效果就不是很明顯并且不夠直觀。

通過上面的案例，我們知道，如果用DIS來進(jìn)行實驗操作：（1）能夠定量地、直觀地表現(xiàn)出向心力和幾個變量之間的關(guān)系，而且還能夠更深入實驗的本質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究。例如實驗不僅可以呈現(xiàn)角速度w和向心力F之間的關(guān)系，還可以呈現(xiàn)角速度平方項q和F之間的關(guān)系。（2）引導(dǎo)學(xué)生對比例系數(shù)k的計算，是本節(jié)實驗探究的亮點。以往我們在進(jìn)行此類物理規(guī)律教學(xué)的時候，總是直接告訴學(xué)生得出了變量間的關(guān)系就可以直接得出表達(dá)公式，但是學(xué)生會有疑問，這只是說明這些變量間有關(guān)系，為什么就能肯定沒有其他變量對向心力有影響了呢？這對于學(xué)生對定理的深入理解有一定的阻礙，利用DIS就很好地解決了這個問題。并且也通過實驗過程讓學(xué)生理解并掌握正確的物理研究方法和步驟，更好地體現(xiàn)了探究的意義。通過對比，不難看出利用傳統(tǒng)的向心力演示儀，如果要做出以上這些實驗步驟應(yīng)該是相當(dāng)困難的?？梢哉f在此類探究變量間物理規(guī)律的實驗中，利用DIS測量更靈敏，處理數(shù)據(jù)更方便，不僅是實驗效果明顯，同時在教學(xué)過程中潛移默化地淡化數(shù)學(xué)過程，更加注重生活經(jīng)驗及突出物理方法。

雖然DIS幾乎可以涵蓋初中、高中所有力學(xué)實驗，但

是在個別章節(jié)的利用上還是有不足，會有過程相對復(fù)雜或者不如傳統(tǒng)實驗手段效果來得直觀，并且如果將實驗教學(xué)完全依賴于DIS也會造成學(xué)生實驗動手能力和提取并數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)的能力下降。因此本人認(rèn)為，在現(xiàn)階段還是應(yīng)該以傳統(tǒng)實驗手段為主，DIS進(jìn)行輔助教學(xué)。具體來說就是：（1）對于比較簡單的基礎(chǔ)性力學(xué)實驗，例如滑動摩擦力的研究、重力大小的研究、力的合成與分解、牛頓第三定律實驗等過程相對簡單，現(xiàn)象較為明顯的實驗，利用普通儀器就可以很容易地做到，借助DIS反而會使實驗過程復(fù)雜。（2） 有個別力學(xué)實驗的實驗精度對實驗結(jié)果有很大的影響 [2 ]，比如靜摩擦力實驗，利用傳統(tǒng)的儀器想要看到靜摩擦力變成動摩擦力的那一瞬間示數(shù)變化是有些困難的，那么此時，就可以把DIS結(jié)合到傳統(tǒng)的實驗手段中進(jìn)行演示教學(xué)，利用DIS提取數(shù)據(jù)并且把要觀察的現(xiàn)象利用圖線直觀地呈現(xiàn)出來。這更是體現(xiàn)了中學(xué)物理中數(shù)學(xué)過程簡化而更突出物理方法。

因此對于DIS在中學(xué)物理力學(xué)實驗教學(xué)方面的應(yīng)用，總歸為一句話，不可全用，也不可不用，把它當(dāng)作一種輔助手段來配合傳統(tǒng)的實驗手段進(jìn)行教學(xué)，根據(jù)所授課程的實驗要求側(cè)重點適當(dāng)?shù)胤峙淅贸潭鹊谋戎?，才能夠把DIS的優(yōu)勢發(fā)揮到極致，為我們的物理實驗教學(xué)錦上添花。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張溶菁.探索DIS實驗教學(xué)推進(jìn)物理課改[J].物理教學(xué)，2007，29（3）：16-19.