可视化数据处理在高中物理教学中的应用*

付酮程 王凯

(河南省信阳高级中学 河南 信阳 464000)

可视化数据处理[3,4]是以一种直观的、更加容易感知的(动态)图示方式表征信息及问题演变的过程．一般复杂的物理思维过程和知识都可通过图解的方式将其逻辑关系呈现出来．高中物理的可视化教学就是为了简洁明了地传递信息，直观地让学生“看到”思维的演变过程，洞察复杂问题的临界点及动态变化，激发学生主动参与课堂教学交互并提出问题、验证问题能力，促进学生全面创新发展．

1 圆周运动转盘类临界问题

在研究如图1所示的轻绳牵连物体围绕转轴转动问题时，学生对临界点的把握和全过程中摩擦力变化掌握不清，图中物体A，B距离转轴OO′分别为r和2r,质量均为m且与转盘间摩擦因数均为μ,二者通过轻绳连接．当转盘角速度逐渐增加，试分析二者受力及绳上作用力变化情况．

图1 轻绳牵连物体围绕转轴转动

分析：物体A，B围绕转轴做圆周运动所需向心力(Fn=mω2r)比值为FnA∶FnB=1∶2,当B完全由摩擦力提供向心力时对应临界角速度ω1(此时绳上张力T=0)根据圆周运动规律得

(1)

(2)

若角速度继续增加，物体A因受力再次供需不平衡会具有趋向圆心运动的趋势，继而fsA背离圆心并反向增大直至达到最大静摩擦，此时对应临界角速度ω3，有

(3)

上述过程贯通来看对应3个角速度节点和4个变化区间，学生往往只客观掌握节点时物体具备状态信息，但对其间受力动态变化过程及供需关系的理解较为含糊，“只见山头不见绿洲”的俯视型学习记忆不利于学生下沉理解问题和发散提出新问题．

图2 不同力与角速度的变化关系

此外发散问题学生还会关注到图中的交点P,该处A物体摩擦力恰减小至等于绳上张力，令P处角速度为ωP，由图中求直线交点可知

该结论可通过方程组

验证．

2 弹簧振子类创新实验及数据挖掘求解劲度系数

轻质弹簧振动周期与劲度系数满足

其中m为振子质量．为了让学生更直观看到弹簧振子振动的动态变化，我们尝试采用iPhone手机自带的运动协处理传感器并借助相关软件截取数据然后拟合分析振动周期．实验装置如图3所示，加速度测量上可选择3个方向x,y,z,机宽所在的方向为x，机长所在方向为y,z方向与手机屏幕所在面垂直．通过夹子连接手机并测量y轴向振动加速度(同时附录测量x轴、z轴及加速度矢量合成信息轴)，测量加速度值可以m/s2为单位或以重力加速度g的倍数进行记录，采样频率选择50 Hz.

图3 实验装置

图4 实验结果

从图中可以看到当手机沿y方向振动时，y轴加速度信息呈现周期性变化，与此同时实验中的系统误差体现在沿手机短边x方向及垂面z方向均微幅的等频振动，但数值趋于零．将加速度矢量合成后其绝对值如顶部曲线亦呈周期性变化，藉此我们可尝试对周期性的波动曲线通过拟合得到摆动周期．我们的目标是得到形如y=y0+A*sin[2pi*(x-xc)/ω]的方程，从结果看拟合方程为

即T=0.911 2 s，标准差为5.381 5×10-5.实验中振子质量为171.1±0.1 g，代入数据得

该数据结果与实验所用弹簧出厂的参考劲度系数0.008 N/mm误差不大．

实验中经过多组数据发现实验测量结果与理论值都很接近，软件在周期测量方面直观而又精确,除了能得到所需要的周期之外,还可以对运动过程中每一时刻的加速度进行研究,这对简谐运动的教学有很大帮助.但是利用手机做实验无法消除自身形状对实验造成的影响,在改变振子及悬挂物质量时也不太容易操作,这些都需要对实验进行进一步改良．

通过探究过程可发现，简单的振子周期问题借助传感器的信息化呈现让学生直观看到不同方向加速度的动态变化，让学生脑海中的思维过程跃然纸上，进而牵引学生思考竖直方向弹簧弹力如何变化才会使得y轴加速度呈周期性波动，为什么拟合数据的截距y0=-9.765 6，其结果代表什么含义．此外从获取的实验图中还激发了学生创新性使用科研工具挖掘数据、探究问题的兴趣，夯实了中学生自主学习、动手实践的能力．

3 结束语

教学实践中采用可视化数据与交互式动画[6]直观展现物理规律及动态变化等过程，构建师生间相互学习与发问的完美配合；可视化教学模式以小组讨论为典型特征，以策略学习为核心内容，以学生在没有教师支持的条件下能够独立学习为最终目的，赋能学生利用工具开展探究性科研，养成理性思维与严谨治学的高贵品格．