信息技术在中学物理教学中的应用实例

摘要：传感器在某些物理实验中有着不可替代的作用，因为某些实验中的物理问题用传统的实验方法是无法解决的.以《探究加速度与力、质量的关系》为案例进行说明.

关键词：传感器；物理教学；实验探究

基金项目：北京物理学会2018—2019年度教育科研立项课题“核心素养视角下培养中学生科学思维的课堂教学研究”（项目编号：WLXH1826）.

作者简介：张晓（1970-），男，内蒙人，本科，中学高级教师，兼职教研员，研究方向：中学物理教法.

传感器在中学物理教学中的应用越来越广泛，用它来测量一些物理量准确、快捷，并且有着即时自动画出图象、实时对实验数据进行处理的优点.传感器甚至在某些物理实验中有着不可替代的作用，因为某些实验中的物理问题用传统的实验方法是无法解决的.笔者在处理《探究加速度与力、质量的关系》这节课时，虽然只是在解决一个很小的局部问题时用到了传感器，但是这个问题长期以来困扰着许多物理教师，用传统的实验方法很不好解决，笔者用传感器来说明这一问题，学生对这个问题就有了真实、深刻的认识，非常符合学生的认知规律.课后，听课的教师们对这节课的评价是：传感器的使用恰到好处，不仅解决了长期困扰教师在本节课中教学难点的处理问题，而且很好地体现了新课标所倡导的理念.

1对教材和学情的分析

修订后的人教社必修（1）教材把牛顿第二定律安排在《探究加速度与力、质量的关系》之后，这不同于以往的老教材，主要是想通过对牛顿第二运动定律的探究过程来培养学生的探究能力和创新精神.本节课就是要体现新教材的这种思路，充分发挥学生的自主学习的能力，不断解决在探究过程中遇到的困难，从而通过自己的努力得出牛顿第二定律.这不仅培养了学生多方面的能力，且完全符合学生的认知规律.长此以往，学生学习物理的兴趣不仅会越来越浓厚，而且科学意识和探究能力也会变得越来越强.

由于这节课要求学生能够先通过自己已有的知识来制定实验探究方案，就必须考虑以下几个问题：（1）探究三个量关系的可行性和必要性；（2）探究三个量的关系的基本方法；（3）如何测出m、F、a的大小；（4）根据现有的实验条件选择出合适的实验方案.实际上，对于目前的高一学生来讲，要解决以上四个问题确实不是易事，要想在短短的一节课里既把实验方案制定出来，测量并得出定律是不太可能的.若这样做的话，虽然感觉上课堂效率很高，是一堂完整的课，但是学生就不能在探究过程中得到一些重要的研究物理问题的方法，创新能力和解决新问题的能力也不会增强.又由于我校的学生基础和能力不是很强，笔者把此次探究活动分为两课时，使学生在探究的各个环节能充分思考、交流和讨论，尽量解决探究過程中的困惑.这样不仅能够体现本节课中所蕴含的丰富的物理思想，而且能够更好地培养学生良好的实验思维习惯和技能.

2以往教学在此处的困惑

在处理“钩码的重力等于牵引小车的力吗？”这个问题时，以往教师在处理这一问题时往往是先告诉学生“钩码的重力不等于牵引小车的力，钩码的重力越小则牵引小车的力越接近钩码的重力”这个结论，而学生对这个结论不甚理解，教师也不能很好地解释，又不好用实验验证.实际上，教师这样做也是不得已的办法，因为在学生还不知道牛顿第二定律的情况下，教师很难给学生解释清楚.然而学生若不知这个结论，就很有可能在这个实验中不注意“钩码的重力越小牵引小车的力越接近钩码的重力”这个条件而得不出正确的实验结论.新课标要求我们在教学中应特别体现方法和过程，重视探究过程的科学思想和方法的科学性.而且新的教材是让学生通过实验探究得出牛顿第二定律，在实验探究过程中，应着重培养学生的探索精神和实验技能，尤其是如何解决在探索物理问题的过程中出现的困难.基于以上的考虑，我们感觉到：学生在这个问题上存在着知识上的缺陷，不能用还没有得出的规律来解决现有的问题，而直接告诉学生这个结论又不太好，不符合新课程的理念，但又不能避开这个现实的问题.实际上应用传感器就能够很好地处理这个问题.

3传感器在本节课的第一课时中的具体应用

（1）学生对“钩码的重力等于牵引小车的力吗？”这一问题的初步认识.根据二力平衡的知识学生可以确定，当钩码和小车一起加速运动时，细绳的拉力不等于钩码的重力.但是用钩码的重力代替牵引小车的力确实是一个不错的办法，很想使用.在这种现实的需求下，学生解决问题的愿望一下子变得强烈起来.

（2）笔者在这节课做了大胆的尝试.先是用绑在小车上的弹簧秤来测量运动中小车受到的拉力大小.但是由于小车运动的速度大、时间短，不太容易对弹簧秤进行读数，这种实验方法实际上行不通.在探究活动受阻的情况下，用绑在小车上的力传感器来演示说明其受到的拉力不等于重力，并得出在什么情况下近似等于牵引小车的力.

我的具体做法是：先用约为1N重的钩码牵引小车，用传感器很快就能得出在运动中小车所受到的拉力为074N.当学生看到这一结论时都认为误差太大，怎么办？有学生提议用更重的钩码牵引小车，发现误差更大了.接下来同学们自然就想到用较轻的钩码来牵引小车，发现这时误差已很小了.通过自己的努力思索、积极探究，终于找到了解决问题的真正办法.学生们是非常兴奋的.在这里传感器的好处和作用就很好地体现了出来，同时可以说明使用传感器也不一定整堂课都用，也可以是在一个很小的局部物理问题上使用，同样可以起到画龙点睛、辅助教学的作用.

所以，本节课安排了这么一个演示实验，这样做，无疑是对学生日后科学探究活动提供方法上的指导，也改变了学生的思维观念；同时，也培养了学生善于发现问题和解决问题的意识，并在解决问题的过程中能够正确应用科学的思维方法和实验方法.

[附件1：几组实验数据.】

（1）用095N重的钩码牵引小车

（2）用147N重的钩码牵引小车

（3）用047N重的钩码牵引小车

（4）用024N重的钩码牵引小车

[附件2：本节课的教案】

实验：探究加速度与力、质量的关系（第一课时）

[教学目标】

1知识与技能：

（1）理解物体运动状态的变化快慢，即加速度大小与力有关，也与质量有关；

（2）理解探究加速度与力和质量的关系的合理性和必要性；

（3）理解实验思路的合理性.

2过程与方法：

（1）指导学生如何定量的探究加速度和力、物体质量的关系；

（2）培养学生自己设计实验的能力；

（3）体会整个探究过程的科学严谨和合理性.

3情感态度与价值观：

（1）通过探究实验的方案，培养实事求是、尊重客观规律的科学态度；

（2）通过实验探究的确定，激发学生的求知欲和创新精神；

（3）培养与人合作的团队精神.

[教学重点】

1如何测出加速度、力、质量的值；

2探究加速度与力、质量的关系；

3如何提出实验方案并使实验方案合理可行？

[教学难点】

1如何提出实验方案并使实验方案合理可行；

2对实验设计思想的理解.

[教具准备】

多媒体课件，天平、小车、一端带滑轮的长木板、带小钩或小盘的细线两条、钩码（规格：10 g、20 g，用作牵引小车的力）、砝码（规格：50 g、100 g、200 g，用来改变小车的质量）、刻度尺、文件夹、粗线绳（用来牵引小车）、打点计时器、学生电源、纸带、秒表、传感器等.

[教学过程】

[新课导入]

在我校秋季运动会的百米比赛中，有的运动员起跑特别好.

问题一：“起跑好”说的是物理学中的哪个物理量比较大呢？

（加速度）

请问：大家见过飞机、赛车和摩托车的起跑比赛吗？

（看录像）

问题二：起跑时，谁的加速度比较大呢？

问题三：既然三者都获得了加速度，也就是说其运动状态都发生了改变，说明它们都受到了外力的作用.为什么受力较小的摩托车却能获得较大的加速度呢？

（其质量小）

问题四：假如我们使用特殊的材料让三者的质量一样，三者的加速度又将发生什么变化呢？

（飞机的加速度最大）

通过以上的分析可知，物体的加速度一定是由物体所受的力以及自身的质量决定的.

究竟加速度与力、质量有何定量关系呢？

这节课我们就来探究如何利用实验的方法来确定加速度与力、质量的关系.

[新课教学]

一、猜想加速度与力、质量的关系

请大家分组讨论：加速度与力、质量之间可能的关系，并结合生活中的现象简单说明猜想的依据.

（1）m一定，F增大，a增大，a可能與F成正比或二次方、三次方的关系……（2）F一定，m增大，a减小，a可能与F成反比或二次方、三次方的反比关系……

下面我们用实验验证大家的猜想，首先确定自己的探究方案.

二、确定探究方案

1、如何测出m、F、a

（1）m 用天平

（2）不受力的物体是不存在的.“力是改变物体运动状态的原因”这句话中的力指的是物体受到的合外力.

下面大家思考：如何解决小车的受力问题呢？根据我们现有的实验条件：用钩码牵引小车.

（说明用弹簧秤拉，不容易控制）

①用钩码牵引小车是小车所受到的合外力吗？

②车和木板之间是有摩擦力的，如何平衡摩擦力？

a、用二力平衡的知识，用弹簧秤拉，不容易控制.

b、利用重力的分力平衡，垫高一端.小车可以从长木板的一端大致匀速地走到另一端.并说明小车质量改变的情况.

c、用气垫导轨.

③钩码的重力等于牵引小车的力吗？

[传感器演示说明其受到的拉力不等于重力，并得出在什么情况下钩码的重力近似等于牵引小车的力.】

总结并提示：M钩码≤1/6m车时.

（3）a的测量（结合前面所学的知识，希望同学们想出尽可能多的方法，并给予比较.）

①根据初速度为零的匀加速直线运动的位移公式：x=12at2，用秒表和刻度尺，不准确.

②用打点计时器的方法，公式法和图象法.

③用传感器测各点所对应的速度，用图象求斜率的方法得出a.

④因为两个小车的初速度都为零，拉力大小不同，但对每个小车来说保持不变，根据我们前面的实验证明：小车应该做匀加速直线运动.根据初速度为零的匀加速直线运动的位移公式x=12at2可知，加速度和位移成正比，只要测量位移就可以得到加速度与受力之间的关系.

2、分组讨论并且每组设计一个实验方案，并确定实验步骤.

参考的实验原理图：

[小结】

提问：通过这堂课，你除了初步明白了如何探究加速度、力、质量之间的关系以外，你还学会了什么？（如技能、方法、感悟等）（理论探究的一些思想方法……）

比如：

（1）我们在研究一个物理问题时要注意其合理性和必要性；

（2）在处理有些实验时信息技术可以起到很好的作用，准确、快捷、使一些常规方法不太好解决的问题得以很好的解决；

（3）要有实事求是、尊重客观规律的科学态度；

（4）科学探究活动既要有大胆的猜想，也应该具有科学严谨的态度……

对同学们提到的收获都应给予肯定.

[板书设计】

实验：探究加速度与力、质量的关系

一、猜想加速度与力、质量的关系

m一定，F增大，a增大 F一定，m增大，a减小

二、确定自己的探究方案并确定实验步骤.、

（1）如何测出m、F、a

（2）确定实验步骤

参考文献：

[1]张大昌.普通高中课程标准实验教科书（物理必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[2]周誉蔼.普通高中课程标准实验教科书（物理必修1）教学参考书[M].北京：人民教育出版社，2007.

[3]陈大飞.论现代教育技术在中学物理教学中的应用[J].中学物理，2015，33（18）：86.