借助DIS实验突破高中物理力学教学难点

林根旺

摘 要：DIS实验能够把计算机和物理实验课程有机结合起来。大部分学校都有DIS实验室，在各种教学比赛或教学公开课中也常常看到DIS实验的身影。但仔细分析我们也会发现，DIS实验大部分还只用在新课教学和物理原理探究验证上，其实在力学习题课难点的突破上，DIS实验也有很大的发展空间。

关键词：DIS实验； 力学教学难点；细绳拉力

1 DIS实验简介及应用现状

DIS实验系统的英文全称是“Digital information system”，一般翻译为数字化信息系统[ 1 ]，它用到了大量的以二十世纪前沿科技作为技术理论支撑，并在二十世纪下半叶得到实际应用的设备。该系统最早由美国进行相关设备的研究和制造，之后加拿大、英国、日本等发达国家开始逐步引入到课堂教学中。DIS实验系统主要由传感器、数据采集器与图形计算机（内含通用实验和专用实验软件包）组成的。其中传感器主要有电流、微电流、电压、位移、温度、声波、力、磁、光电门等，实验时根据需要选择相应的传感器，它可以快速、高精度地实时采集实验数据，并将相应的信号转换为电信号传输给数字采集器；数据采集器与计算机以串行方式通信，最多可同時接插四种传感器，采集器对传感器传输的电信号进行数据转换和分析后将结果传输给计算机；计算机通过数字化实验系统中的通用软件和专用软件，根据要求对实验数据进行各种分析与处理。

我国最早的DIS实验室出现在上海，2002年上海市教委将数字化实验室系统引入二期课改高中物理教材中。中国教育部制定的《普通高中物理课程标准（实验）》将数字化实验室系统引入国家新课程理科实验教学，在文中明确指出“教师应该积极开发适合自己教学的实验项目……鼓励将电子计算机等现代多媒体技术应用在物理实验中”。在国家的大力提倡下，再加上DIS实验能够把计算机和物理实验课程有机结合起来，形式新颖、内容丰富、操作简单、数据处理方便，极大地方便学生进行探究实验，给高中物理实验教学注入了新的活力，于是极具潜力的DIS实验便很快在中学教育中逐渐推广开来。经过一段时间的发展，大部分学校都有了DIS实验室，在各种教学比赛或教学公开课中也常常看到DIS实验的身影。但仔细分析我们也会发现DIS实验大部分还只用在新课教学和物理原理探究验证中，其实在习题课难点的突破上，DIS实验也有很大的发展空间。

2 物理力学教学中存在的难点

常常有学生反映高中物理比较难，花了很大的精力成绩还是提不上去，甚至这已经成为一种共识，浙江、上海等地先行高考改革，物理遇冷成了社会关注的热点。很多考生由于物理比较难而放弃选择物理，据报道2017年浙江29.13万考生中仅8万人选考物理，占比27.5%，物理是考生选择最少的学科；而上海选考物理的考生也仅30%。学生大呼物理难学，担任物理教学的教师也感到物理难教，许多知识反复多次讲解，学生还是一知半解，或者只是表面理解了，过一段时间又忘得一干二净。这当然有多方面的原因，高中物理内容多，课堂容量大，章与章之间思维跨跃大；探究问题时不仅要从实验出发，有时还要从建立物理模型出发，从已经存在的概念出发，建立抽象的物理概念；物理练习题有时不但需要通过发散性的分析，搞清研究对象所遵守的物理规律，而且还需要较强的综合能力和数学能力。而在这众多原因中，高中物理知识与日常生活现象的联系也不紧密，甚至有一些在生活中见不到，学生缺乏感性认识，这是一个相当重要的因素。如在验证牛顿第二定律实验中（实验装置如图1所示），误差的一个重要原因是系统在加速运动过程中细绳的拉力F不等于钩码的重力mg，老师在讲解过程基本上是靠数学理论推导，而生活中甚至是初中的知识给学生的感性认识是拉力F等于钩码的重力mg，在实际的教学中我们会发现往往是直观的感性认识占上方，学生在这个问题上一直转不过弯来，下次碰到同样类型的问题时还是会错误地认为细绳的拉力F等于钩码的重力mg。

其实这也不奇怪，根据学习金字塔理论，听讲是最低层次、最没有效率的学习，而视听层次是更有效的学习方式，如果我们能给学生直观地看到加速运动过程中细绳拉力的变化情况，相信能让学生对这一知识有更深刻的认识，可传统的实验器材是很难看到加速运动过程中绳子的拉力的，DIS实验的出现让这种设想成为可行。有许多力学教学难点亦是如此。

3 借助DIS实验突破高中物理力学教学难点案例

3.1 加速运动过程中的细绳拉力问题

【例题1】在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时，实验装置如图1所示，小车质量用M表示，悬挂的砝码质量用m表示，通过适当的调节，使小车所受的阻力忽略，运动过程中小车的加速度可由纸带上打点计数器打出的点计算。为使砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力， M与m的大小关系应满足 。

解析： 当M和m做加速运动时，可以得到：

当M>>m时，可近似认为小车所受的拉力F等于mg.

DIS实验验证：装置如图1所示，在绳子连接小车的一端加上力传感器，数据显示方式选择“示波”。当M约等于m时测得的图象如图2左边所示；当M约等于20m时测得的图象如图2右边所示。

从图象中我们可以发现：在系统加速时绳子拉力都会发生变化，大小并不等于重力；当M与m差不多时，拉力有较大变化；而M当远大于m时，绳子拉力变化不大，可近似认为小车所受的拉力F等于mg.

3.2 力分解过程中的动态分析问题

【例题2】：如图3所示，物体处于平衡状态，若保持OA绳方向不变，当OB绳与水平方向夹角 从900减小到00过程中，OA绳的拉力T和OB绳的拉力F大小如何变化？

DIS实验验证：装置如图3所示，支架可绕0点转动（我是用铝合金窗滑撑杆），两力传感器固定在支架末端，两细绳一端一起系住砝码，另一端分别固定在两力传感器的挂钩上，注意调整细绳长短，保证两细绳系住砝码的结点与金属支架的旋转点0重合。数据显示方示选择“数字”，转动其中一根杆，可在电脑中直观地看到两绳拉力的变化情况，

从实验中我们可以发现当力F与水平方向夹角 从900减小到00过程中，F先变大后变小，T一直变大，且当F与OA垂直时，F最小，实验现象非常明显，结论与理论推导完全符合，相信会给学生留下深刻印象。

3.3 牛顿第二定律的瞬时问题

【例题3】如图4左边所示，两个质量相同的小球用细绳连接，通过轻弹簧悬挂在天花板上，开始时两小球均保持静止状态.突然剪断细绳，求剪断瞬间上面的小球A与下面的小球B的加速度？

解析：这一题与弹力是否会突变有很大关系，我们经常说连接物像弹簧、橡皮筋等产生的弹力不会瞬间发生改变（即改变需要时间和过程），而像轻绳、轻杆产生的弹力会瞬间发生改变，事实是否真是如此呢？我们可以用DIS实验来验证一下，将弹簧的上端固定在力传感器的挂钩上，剪断下面细绳，弹簧弹力的变化情况如圖4右边所示。

从图中我们可以发现剪断下面的细绳后弹簧弹力改变确实需要时间和过程（前面的细微变化是因为剪刀接触细绳时引起的），因而剪断瞬间弹簧弹力不会瞬间发生改变，根据牛顿第二定律易得aA=0， aB=g。

3.4 晾衣服中的绳子拉力问题

【例题4】：如图5所示，轻绳两端分别固定在竖直杆M、N上的a、b两点，悬挂衣服的衣架挂于绳上处于静止状态，不计细绳与衣架挂钩间的摩擦力且认为细绳不可伸长.如果将细绳的右端上移到b′，当衣架再次静止时，绳子拉力变大、变小还是不变，将杆N向缓慢右移一些，绳子拉力又如何变化？[ 2 ]

解析： 设两杆间距离为d，绳长为l，因衣架挂钩光滑的，故aO、bO对O点的拉力大小相等，又由水平方向受力平衡有aO、bO与水平方向的夹角相等，分析可得

由以上各式可知，当N杆向右移一些时，l不变，d变大，θ变大，则细绳拉力变大；而改变b的位置或绳两端的高度差时，l、d不变，θ不变，绳子拉力不变。

我们可以用DIS实验来模拟，用两铁架台代替竖直杆M、N，动滑轮和钩码代替光滑挂钩和衣服，其中一铁架台上固定力传感器，细绳一端系在传感器的挂钩上（注意调整传感器的角度，让细绳和挂钩在一条直线上，不然会出现较大误差），左右或上下移动另一铁架台，从实验中我们可以看到实际测量结果与理论推导还是很一致的。

4 结束语

物理学是一门以实验为基础的学科，如果一些物理难题也可以通过实验展示出来，让学生发现一些复杂的物理教学理论也能与实际有机结合，就能引起学生学习兴趣，激发其探究问题真相的欲望，从而调动他们学好物理的积极性和主动性。DIS实验凭借其先进的实验设备和实验理论，给我们提供了更多的可操作的实验方案，只要我们认真研究，相信会对物理教学起到很好的促进作用。

参考文献：

[1] 朱瑞珠.DIS实验在高中物理课堂教学中的辅助实例分析[J]. 考试周刊，2016：11-16.

[2]陈宝友.刍议共点力平衡条件的应用问题[J].教学考试，2018（7）：23.