数字化实验在高中物理力学教学中的应用策略

王刚

摘   要：当前的高中新课程改革，不仅仅是对教学内容的改革，更重要的是对教学方法、学生学习方式的改革。将DIS实验系统应用于物理实验教学，可较好地弥补传统物理实验教学的不足，实现力学实验的数字化、动态过程的形象展示和实验数据的实时捕捉等，这有利于强化学生对力学概念和规律的建构，有利于提升学生的图形能力，也有利于完善物理实验的量化研究。

关键词：高中物理;力学教学;数字化实验;图形能力

中图分类号：G633.7    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2020）02-0057-06

在现行的高中物理教材中有许多地方都介绍了以传感器为实验器材进行的物理实验，同时在教学实践中我们也不难发现，将DIS数字实验系统引入课堂教学，对新课程的教学改革也起到了积极的促进作用。力学教学在中学物理教学中具有非同一般的挑战性，其原因首先在于力学是整个物理学体系的根基，是学生学习物理的入门课;其次在于力学的教学过程不仅仅是知识的传授过程，更是物理思维的训练过程和物理方法的形成过程，因此力学教学的优化和改进是中学物理教学改革的一项重要任务。“高中物理教学中应用数字化实验的策略研究”课题组，对DIS数字化实验系统在高中力学教学中的应用做了比较深入和有益的探索，以下对此进行简要介绍。

一、运用DIS实验系统，实现力学实验的数字化

在传统的力学实验中，一般使用测力计进行力的测量。测力计价格低廉、形象直观、应用非常广泛，但其缺点也显而易见：仅适用于静态而不适用于动态测量;能测拉力而不能测压力;支持“点测量”不支持“线测量”，缺乏过程监控能力;另外测力计本身的精度、读数等问题也限制了实验的应用。GQY-elab力传感器（图1）以工业级应变片为核心部件，其将应变片受力后因微弱形变而引发的电势差转换为数字信号，进而得出测量结果，并实时显示、记录受力值，由此可描绘出“力——时间”图线。

位移数据的实时测量填补了传统力学实验手段中的空白。GQY-elab位移传感器（图2）基于超声波测距原理，能够实时测量运动物体的位移数据，并可实时绘出“位移——时间”图线。此外教材专用软件还提供了“速度——时间”“加速度——时间”图线的转换功能，其都较好地解决了与位移相关的诸多物理量的测量、分析难题。

利用光电门进行力学实验的精度可达到毫秒级，这已经属于“高技术”了。但是光电门测得数据后需手动记录、存储和导入方可计算、分析，这影响了实验效率的提高。GQY-elab光电门传感器（图3）的优势，首先是测量、显示和记录的一体化功能，即挡光结束后，实验数据即时呈现在软件的计算表格之中;其次是便于计算和分析，计算表格内置编译器，可带入复杂公式参与运算并支持数据导出到Excel、Metlab等软件;另外GQY-elab光电门的精度高出传统光电门一个数量级，可达到微秒级，这使实验教学的质量又获得提高。

二、动态过程形象展示，有利于学生理解、掌握概念和规律

某些物理现象的发生过程很快，因此并不容易被我们的目光所捕捉。比如在使用测力计测量最大静摩擦力的实验中，逐步增加对物块的拉力，测力计的指针也随之发生移动。在物块将动未动的那一瞬间，指针达到最大值。物块开始滑动之后，指针又马上回落并保持在一个常数。看清楚并记录测力计瞬间达到的最大值，是最大静摩擦力实验成败的关键。实际上这只是理想状态，因为很难看清测力计瞬间的变化。

学生在初中已经学过滑动摩擦力的概念，也做过有关滑动摩擦力的探究实验。通过实验教学，学生已经知道了滑动摩擦力的大小与正压力和接触面的粗糙程度有关，并会运用控制变量法解决问题。在做实验时，学生用弹簧秤水平方向拉动桌面上的物体，在拉动的一瞬间，弹簧秤的示数由大变小，该时间很短，因此记录数据不准确，即在实验操作中出现了精确记录数据的困难。

如何解决这个问题是“学生探究活动”顺利开展的动力。根据不同的教学资源，针对该问题可给出两种解决方案：一是改造弹簧秤指针，用可以随之移动的卡子的最终位置来表示最大静摩擦力的示数;二是利用数字实验室平台与力学传感器记录实时数据。

就如何改进装置、提高实验精度以及为学生的探究活动提供实验器材，课题组成员进行了多种嘗试，最终将“弹簧秤拉物块”的实验操作改进为应用固定物块，然后拉动物块下方的小车，即研究物块与小车之间的最大静摩擦力，并且选用数字实验室平台与力学传感器以及局域网作为教学资源。为方便学生对影响最大静摩擦力的因素进行探究，课题组准备了木板、白纸、毛巾等不同粗糙程度的界面作为接触面，又准备了钩码用以改变物体对车面的压力（如图4所示）。

根据已有的实验器材进行猜想，然后制定实验方案并实施。如根据控制变量法，选用相同质量的物块与接触面，然后改变接触面积，测量最大静摩擦力，如图5所示。又如在保证物块质量和接触面积不变的情况下改变接触面的粗糙程度，然后记录最大静摩擦力的数值，如图6所示。再如在保证接触面的粗糙程度和接触面积不变的情况下改变物块质量，然后记录最大静摩擦力的数值，如图7所示。

获得数据并不是探究实验的最终环节，而是为归纳出新的物理规律提供实验依据。学生根据实验数据，经交流可归纳出新的物理规律。例如根据图5，学生可总结归纳出：在物块的质量与接触面的粗糙程度不变的情况下，在误差允许的范围内，接触面的大小与最大静摩擦力无关。根据图6，学生可总结归纳出：在物块的质量和接触面积不变的情况下，接触面越粗糙，最大静摩擦力越大。根据图7，学生可总结归纳出：在接触面的粗糙程度与面积不变的情况下，物块对接触面的正压力越大，最大静摩擦力越大。

使用 GQY-elab传感器进行牛顿第三定律的教学，同样可以取得令人满意的效果。在实验中，教师两手各持一个力传感器，向相反方向拉（如图8所示）。观察获得的图线，发现两条图线基本重合，这表示两个力的大小是相等的。将其中一个传感器的图线设为“镜像显示”后重复实验，可获得以时间轴为中心上下对称的两条图线（如图9所示），保持“镜像显示”，轻轻地让两个传感器相互挤压，所获得的两条图线仍然以时间轴为中心上下对称，如此清晰地展示了牛顿第三定律。