物理实验与计算机巧妙融合，促学生核心素养发展

丁 松

(江苏省清江中学,江苏 淮安 223001)

“实验:验证机械能守恒定律”是高中物理人教版必修2第7章第9节的内容.首先,机械能守恒定律是高中物理第一个守恒量,对今后学习能量守恒、电荷守恒等守恒定律打下基础.其次,“实验:验证机械能守恒定律”是普通高中物理课程标准中学生必做实验之一.其重要性,从2016年江苏高考第11题(单摆验证机械能守恒)可见一斑;还有2010、2015、2017年涉及打点计时器,2016年涉及光电门等实验器材都是本节课所用到的重要器材.高中物理核心素养[1]要求学生形成正确的“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”.这些核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力.本节课如果能成功、巧妙地构思,那么验证机械能守恒将可以从多方面促进学生物理核心素养的发展.例如:“物理观念“方面——了解机械能守恒是自然界中能量守恒中的一个特例,能用能量等概念来解释自然现象和解决实际问题;“科学探究”方面——明白科学探究的基本步骤,基于前面的机械能守恒学习,要大胆质疑机械能守恒是否真的恒成立,要会设计实验与制定方案,获取和处理信息,来验证自己的猜想,最后与班级其他同学进行交流评估;“科学态度与责任”方面——实验要有严谨的科学态度,对待科学不可马虎了事,对待实验误差要找出原因,多分析,培养学生的观察和实践能力,培养学生实事求是的科学态度.基于此,笔者从核心素养的框架体系和学生的实际情况出发,精心构思了“实验:验证机械能守恒定律”这节市级优课,得到了同行们的认可,达到了很好的教学效果.现以此文章简述自己的一些创新之处.

1 实验方案的创新

课本上只给了一个实验方案——验证自由落体过程中的机械能守恒.本节课自己巧妙地设计了3个实验: (1) 验证单个物体的机械能守恒; (2) 验证系统机械能守恒; (3) 验证斜抛运动中的机械能守恒.

1.1 单个物体机械能守恒(课本实验)

图1 自由落体运动

如图1所示,这个实验是课本中的实验,非常熟悉的实验器材,可以很方便的验证机械能守恒.

优点:实验器材易获取,实验原理简单,实验操作容易.误差分析相对简单.

缺点:实验器材熟悉,实验可能与之前的自由落体实验重复,学生没有眼前一亮的学习热情.系统机械能守恒没有办法得到验证.还有打点计时器测量速度比光电门误差大.

图2

1.2 系统机械能守恒实验(光电门和气垫导轨)

如图3所示，这个实验与课本的实验比较,有一定的难度.但绝不是学生能力之外的实验.基本的实验器材在“探究牛顿第二定律”实验时已经见过,系统机械能守恒的原理,在本章的第8节“机械能守恒”中也都讲过.所以这个实验较好的体现学生的科学探究能力和知识迁移能力.

图3

优点:光电门和气垫导轨是高中必须掌握的实验器材,但是由于设备精密,准备繁杂所以学生动手操作的少.本节课学生得以操作,亲自用光电门和气垫导轨做实验,学习热情高涨.光电门测量速度比打点计时器要准确;本实验可以验证系统机械能守恒.

缺点:操作比较繁杂,实验器材调试时间长,实验器材学校物理实验室准备不足.这样要求上课之前必须要给学生先培训这一整套实验器材的使用注意点.

操作注意点:调节水平时,等到气垫导轨通气稳定后,在导轨中部相隔50～60 cm处放置两个光电门,调节底脚螺丝,使滑块上挡光板通过两个光电门的时间几乎相等.具体步骤如下:

粗调:接通气源,将装有遮光片的滑块轻放于导轨上,调节单脚螺丝,使滑块在导轨上各处基本上均能保持静止.

细调:使滑块以某一速度运动,测量滑块先后经过两光电门时的遮光时间t1和t2,仔细调节单脚螺丝,使t1与t2相差在5%以内即可,就可以认为导轨已基本水平.

1.3 斜抛运动中验证机械能守恒(计算机软件在物理学中的应用)

这个实验是用实验室的器材无法完成的,因为斜抛的瞬时速度,某一段时间的高度差都无法及时测量.由此笔者想到是否可以用摄像机把斜抛运动中的每一个时刻的画面定格,然后一一分析每一张照片呢?这个想法完全可以用计算机编辑好的软件来完成.

优点:斜抛运动中的机械能守恒我们不好用实验室的实验器材来实验验证.我们可以借助计算机软件来模拟生活的斜抛运动,然后根据软件处理,得到相关数据,从而得到机械能守恒的结论.易操作.

缺点:必须要有过硬的编程本领,还要灵活的应用电脑中的相关技能.

操作注意点:

(1) 让质量大,体积小,即密度大一点的物体从教室的某一固定点做斜上抛运动,用手机摄像功能记录这一运动过程(如图4).例如一个室外实验,如图5中实心球的固定高度为2.75 m.

图4

图5

(2) 然后把这一段视频导入软件中,软件会模拟出与实际斜率运动相类似的一段数学曲线.

模拟动画调整之前:数学模拟曲线与实际视频运动曲线没有吻合，如图6.

模拟动画调整之后:数学模拟曲线与实际视频运动曲线高度吻合，如图7.

图6

图7

(3) 根据此曲线即可求出曲线上每一点速度v和相对于抛出点的竖直位移h，如图8.

说明:瞬时速度v是通过软件程序中的微积分公式求出;高度差h是通过模拟曲线与实际高度的比例关系求出的.此时就可以把得到的数据代入机械能守恒定律的公式,检验是否守恒.

图8

(4) 实验误差分析:数学的模拟曲线与实际斜抛的运动曲线无法完全重合.所以在模拟运动过程中,总会有点误差.例如,同一个斜抛运动,经过几次的模拟.有的初速度v0=4.599 m/s,有的是4.679 m/s.

2 实验数据处理创新

本节课重点是方案的设计以及实验器材的操作,这种创造性的劳动交给学生,而冷冰冰的数字计算的机械操作交给平板电脑.表1-表3中物理量单位都为国际单位；表1和表3中的重力势能变化量和动能变化量的单位都为表格数字乘以质量m.

第1组:自由落体验证机械能守恒实验数据,见表1.

表1 验证自由落体机械能守恒数据

第2组:气垫导轨和光电门验证系统机械能守恒数据,见表2.

表2 验证系统机械能守恒数据

第3组:验证斜抛运动中的机械能守恒数据,见表3.

表3 验证斜上抛机械能守恒数据

用平板电脑来处理实验数据如图9所示.

图9

3 教学过程设计创新

3.1 课前准备

(1) 班级50人,分为A、B两个大组.每一个大组分为5个小组,每个小组安排一位物理小教师——主要带领同组成员,顺利快速的开展并且完成实验.

(2) 由于实验器材每个学生掌握程度不一样,所以在全班学生进实验室之前,要对物理小教师进行实验器材的简单培训,尤其是气垫导轨的使用,光电门的使用.平板电脑中,怎么用WPS中的表格对实验数据的处理.

(3) 让全班学生课前完成预习学案.主要是单个物体机械能守恒和系统机械能守恒.

完成预习学案:

(1) 判断自由落体机械能是否守恒?为什么?能用实验验证吗?(只有重力做功)

(2) 判断如图10所示的系统机械能是否守恒?为什么?一切摩擦不计.(是否有其他能量参与转化)

图10 连接体模型

(3) 还有什么模型是机械能守恒呢?

3.2 课堂时间

(1) 复习导入,询问预习学案中的机械能是不是真的守恒呢?下面就让我们用实验来验证一下.A组学生主要设计验证自由落体机械能守恒的实验方案;B组学生主要设计验证系统机械能守恒的实验方案.(3 min讨论时间,5 min展示时间,2 min教师引导时间)

(2) 学生做实验、实验数据处理、选择两组学生的数据上台展示,并且得出初步结论.(10 min实验,5 min数据处理,10 min上台展示,简单分析误差的原因)

(3) 教师和学生合作完成电脑演示实验.学生让苹果做斜抛运动,教师录视频,并且将其导入软件,模拟苹果运动,得到苹果的运动数据.选择3组数据,请学生协助教师记录在教师的平板电脑WPS的表格中.最后得出结论.(8 min)

(4) 最后作业:对这3个实验方案进行评价分析,找出误差的原因,并且能提出改进的方案.完成一份实验报告.

3.3 具体课堂师生对白

师:上节课我们学习机械能守恒.如PPT所示的两幅图中的A物体机械能守恒吗?

生:图11中的自由落体A机械能守恒.图12中的连接体模型中的A单个物体机械能不守恒,但是A和B组成的一个系统机械能守恒.

图11 自由落体 图12 连接体模型

师:能回答一下怎么判断机械能守恒的呢?

生:讨论并且回答,自由落体中只有重力做功;连接体接触面光滑只有机械能之间相互转化,无其他形式能量参与转化,所以机械能守恒.

师:这两种情况下机械能守恒，同学们能用机械能守恒来验证一下吗?请A组同学设计实验方案来验证图1的机械能守恒.B组同学设计实验方案来验证图2的机械能守恒.

……

师:请一位同学和老师一起完成一个验证斜抛运动中机械能守恒的实验.有谁愿意的?

生:我……我……

师:我们请薛子涵同学和老师一起完成这个实验.薛子涵你在这个固定的高度把实心球抛出去,让他做斜上抛运动.我来用摄像机记录这一运动过程.

……

4 实验教学评价与总结

物理学基于观察和实验,建构物理模型,应用数学等工具,通过科学推理和论证,形成系统的研究方法和理论体系.本节课实验课教学注重体现物理学科本质,培养学生物理学科核心素养.引导学生自主学习,提倡教学方式多样化.通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习环境,培养和发展学生的自主学习能力.通过多样化的教学方式,利用现代信息技术,引导学生理解物理本质,整体认识自然,形成科学思维习惯,增强科学探究能力和解决实际问题的能力.