從DIS實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與拓展 提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)
——以牛頓第二定律為例

郭強(qiáng)友 倪敏 楊陽 杜曉賀

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個(gè)方面[1].

物理學(xué)是基于觀察與實(shí)驗(yàn)的一門學(xué)科，歸根到底都必須通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行最后的驗(yàn)證.在高中階段物理實(shí)驗(yàn)的教和學(xué)都是極其重要的一部分.物理事實(shí)的表述、物理觀念中的物理規(guī)律探索和物理概念的建立以及物理問題的解決都離不開實(shí)驗(yàn).布魯納通過心理學(xué)實(shí)驗(yàn)得出，人們可以記住大約10%聽到的東西，大約30%讀到的東西，但是卻能記住大約 80%看到的東西.由此可見結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn)的理念，通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)來提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)是具有重要意義的.那么如何通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生的核心素養(yǎng)，是我們每一位物理教育工作者都應(yīng)該思考的問題.本文將以滬教版中“牛頓第二定律”DIS實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和拓展為例，探索通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的有效方法.

1 根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)制定實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

“通過實(shí)驗(yàn)，探究物體運(yùn)動(dòng)的加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系.理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律，能用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決有關(guān)問題.通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象.”在新的課程標(biāo)準(zhǔn)中用了短短兩句話總結(jié)了有關(guān)牛頓定律的相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù).教師還需要結(jié)合教材仔細(xì)研讀課標(biāo)，進(jìn)一步理解物理核心素養(yǎng)的相關(guān)內(nèi)涵，并結(jié)合物理核心素養(yǎng)的4個(gè)方面制定相關(guān)的教學(xué)目標(biāo).以下部分筆者將結(jié)合物理核心素養(yǎng)的4個(gè)方面，對(duì)牛頓第二定律的DIS實(shí)驗(yàn)做淺顯的分析.

1.1 物理觀念

“牛頓第二定律”的內(nèi)容是：物體加速度的大小a與物體所受的合外力F成正比，與物體的質(zhì)量M成反比[2].是3個(gè)物理量關(guān)系的定量分析，公式是

(1)

1.2 科學(xué)思維

1.3 科學(xué)探究

科學(xué)探究的過程即在原實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上發(fā)現(xiàn)新的問題，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究解決問題的方法，在實(shí)驗(yàn)過程中，思考能否對(duì)本實(shí)驗(yàn)做相應(yīng)的拓展.在驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中，摩擦力是一個(gè)影響較大的因素.在實(shí)驗(yàn)過程中讓學(xué)生思考摩擦力是如何影響實(shí)驗(yàn)的正確結(jié)論的，并思考討論減小摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響的方法有哪些？同時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生將該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展.比如能否利用本實(shí)驗(yàn)器材測量軌道的摩擦系數(shù)等.

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

在實(shí)驗(yàn)過程中讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到牛頓第二定律的本質(zhì)與其在科學(xué)、技術(shù)中的相關(guān)應(yīng)用.通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)減小誤差，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和探索創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度.但由于實(shí)驗(yàn)的誤差不能完全消除，所得到的結(jié)論仍然帶有猜想和推斷的性質(zhì).只有根據(jù)這些結(jié)論推導(dǎo)出的新結(jié)果都與事實(shí)一致，這樣的“結(jié)論”才能成為定律.讓學(xué)生知道科學(xué)家前輩在根據(jù)有限的實(shí)驗(yàn)事實(shí)得出結(jié)論時(shí)，既需要謹(jǐn)慎的科學(xué)態(tài)度，也需要有相信自己的勇氣.

2 基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與拓展首先需要從理論上分析實(shí)驗(yàn)，先從理論上找到可能產(chǎn)生誤差的原因，以及當(dāng)前的牛頓第二定律DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)的弊端.

2.1 現(xiàn)行“牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的弊端

在本實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因有很多，本次改進(jìn)分別從摩擦力、鉤碼質(zhì)量m與小車的質(zhì)量M的比值大小選取范圍兩方面尋求改進(jìn)方法．要達(dá)到順利完成實(shí)驗(yàn)測量的目的，實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)操作必須規(guī)范．本實(shí)驗(yàn)主要的注意事項(xiàng)有：

(1)實(shí)驗(yàn)中要保證力學(xué)軌道足夠光滑且水平放置.

(2)要調(diào)整定滑輪的高度，使拉小車的細(xì)線與力學(xué)軌道平行.

(3)用運(yùn)動(dòng)傳感器測量時(shí)，不要超出其測量范圍，進(jìn)行圖線擬合時(shí)，由于靠近定滑輪端有強(qiáng)磁鐵作用，不要選取靠近此端的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析．

(4)懸掛鉤碼的重力不要太大[3].

【例題】保持小車質(zhì)量不變，改變砂和砂桶重量，該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F圖線如圖1所示，該圖線不通過原點(diǎn)，明顯超出偶然誤差范圍，其主要原因是________.

圖1 a-F圖像

調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生能夠正確填寫出答案：其主要原因是小車與軌道之間存在摩擦力.但是在詢問學(xué)生為什么小車與軌道之間存在的摩擦力會(huì)使圖像不通過原點(diǎn)時(shí)，學(xué)生的回答大多數(shù)都是說老師上課就是這樣講的.這種靠死記硬背讓學(xué)生掌握知識(shí)的方法已經(jīng)成為現(xiàn)階段我國高中物理教學(xué)的慣用方法.這樣的教育模式使得學(xué)生只會(huì)做題，但是對(duì)結(jié)論的來源一無所知，這是違背新課程改革的理念的.

2.2 牛頓第二定律誤差的理論分析

對(duì)該實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差，教師不應(yīng)該置之不理，應(yīng)該基于這個(gè)事實(shí)證據(jù)引導(dǎo)學(xué)生得出不同的觀點(diǎn)和結(jié)論.最后從兩個(gè)方面分析:

(1)近似地認(rèn)為導(dǎo)軌與小車之間的摩擦力被完全平衡；

(2)近似地認(rèn)為小車受到的拉力就是回形針的重力.

下面對(duì)這兩個(gè)近似條件做詳細(xì)分析.

對(duì)近似條件(1)進(jìn)行分析，要減小導(dǎo)軌與小車之間的摩擦力，我們可以采用氣墊導(dǎo)軌.但是，氣墊導(dǎo)軌在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中并沒有普及，而且使用氣墊導(dǎo)軌會(huì)降低實(shí)驗(yàn)的難度，不利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能.因此，本實(shí)驗(yàn)仍選擇使用力學(xué)導(dǎo)軌.采用增大斜軌傾角的方法來平衡摩擦力，這樣就可以利用小車的重力沿斜面的分力來平衡摩擦力.

受力分析如圖2所示，當(dāng)小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，Gx=f，平衡了摩擦力.實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)斜面傾角為0.191°時(shí)，小車通過兩次光電門的時(shí)間最接近，并且由位移傳感器測量出來的加速度最接近于零.

圖2 受力分析圖

對(duì)近似條件(2)進(jìn)行分析，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，拉力不僅作用在小車上，還作用在滑輪與小車的車輪上，而滑輪與車輪存在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)驗(yàn)中不應(yīng)該忽略.

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示.

圖3 牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)裝置圖

將小車、小車的車輪、滑輪與鉤碼(實(shí)驗(yàn)過程中用回形針代替)等物體構(gòu)成的系統(tǒng)看成一個(gè)整體[4]，由牛頓第二定律可得到

(2)

其中，M與m分別是小車和回形針的質(zhì)量，f是小車受到的摩擦力，I與I′分別是滑輪與車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，r與r′分別是滑輪與車輪的半徑，β與β′是滑輪與車輪的角加速度.

合外力的理論修正值是

(3)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)中平衡摩擦力、使用輕質(zhì)滑輪和小車時(shí)，式(3)可以變?yōu)?/p>

(4)

從式(4)可以看出，當(dāng)回形針的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí)，小車所受的合外力可以用回形針的重力替代.因此，選擇合適質(zhì)量的回形針來產(chǎn)生合外力，可以減小誤差.

2.3 基于理論分析改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

表1 加速度理論值a0與實(shí)際值a的比較

續(xù)表1

綜合上面的分析，讓學(xué)生根據(jù)事實(shí)證據(jù)與科學(xué)推理提出驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)有效控制誤差的方法并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：

(1)摩擦力的平衡.在軌道的15.5 cm處墊上高為0.52 cm的A4紙.

(3)使用光電門傳感器測量小車的加速度，擋光片寬度0.02 m，然后采用控制變量法驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn).

根據(jù)改進(jìn)后再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，下面是實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與結(jié)論.

當(dāng)拉力F0=0.097 4 N不變時(shí)，可得表2數(shù)據(jù)與圖4.

表2 合外力不變，加速度數(shù)據(jù)處理表

圖4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后的圖像

當(dāng)小車質(zhì)量M=342.8 g不變時(shí)，可得表3數(shù)據(jù)與圖5.

表3 小車質(zhì)量不變，加速度數(shù)據(jù)處理表

圖5 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后的a-F圖像

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)誤差明顯變小，讓學(xué)生思考減小誤差的方法并且?guī)熒餐?jīng)過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，多次經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，提高了學(xué)生的科學(xué)探究能力.

3 發(fā)散思維拓展實(shí)驗(yàn)

為培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維意識(shí)，可以讓學(xué)生從不同角度思考問題，培養(yǎng)科學(xué)探究意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心.在驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中，摩擦力是一個(gè)影響較大的因素.結(jié)合DIS實(shí)驗(yàn)，可以將本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展——測量車輪與軌道之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù).本文將介紹通過牽引法來測量小車與軌道之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)過程[5].本次實(shí)驗(yàn)的拓展可以培養(yǎng)學(xué)生基于牛頓第二定律相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)推理，培養(yǎng)創(chuàng)造性見解的能力與品格.

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖6所示[6].

圖6 測滾動(dòng)摩擦因數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置圖

根據(jù)之前的理論推導(dǎo)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，由牛頓第二定律有

mg-f=(M+m)a

(5)

由滾動(dòng)與滑動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式

f=μMg

將上述摩擦力代入式(5)，并化簡得到

(6)

化簡得到y(tǒng)=x-μg

(7)

只要得到截距b，就可以算出

實(shí)驗(yàn)選取質(zhì)量為130.6 g的小車與不同質(zhì)量的回形針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到表4，并作出圖7，得到

表4 牽引法測滾動(dòng)摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)

圖7 牽引法的y與x關(guān)系圖

由上述分析得：牽引法通過直線擬合處理數(shù)據(jù)，測量的結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是，此方法需要變形到一次函數(shù)的一般形式，對(duì)數(shù)學(xué)要求較高，因此，此方法不適合中學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué).但是在教學(xué)中可以給學(xué)生提出，讓感興趣的學(xué)生可以自己去探究和驗(yàn)證，讓學(xué)生深度理解牛頓第二定律相關(guān)原理的同時(shí)，熟練運(yùn)用DIS相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材和軟件.

4 總結(jié)

DIS實(shí)驗(yàn)使學(xué)生從復(fù)雜繁瑣的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中解放出來，讓學(xué)生關(guān)注物理的本質(zhì).在驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中，平衡摩擦力與選擇合適的拉力是本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵.通過以上的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，得到較好的實(shí)驗(yàn)條件，而正確選擇拉力的大小應(yīng)當(dāng)由教師在課下進(jìn)行測量與準(zhǔn)備.完善本實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更加容易理解與掌握牛頓第二定律.引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用控制變量法研究拉力、質(zhì)量、加速度3個(gè)物理量之間的關(guān)系，學(xué)會(huì)分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，提高科學(xué)探究能力，充分達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，讓學(xué)生形成物理觀念，拓展物理思維，學(xué)會(huì)科學(xué)探究，樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.