新形势下物理实验的开发与创新

许锋　张飞翔

摘 要：从实验手段、实验内容、实验器材、实验数据采集几个方面，通过案例说明如何在新形势下开发和创新物理实验，促进物理实验教学与信息技术的整合.

关键词：物理实验;信息技术;整合

文章编号：1008-4134（2019）19-0058中图分类号：G633.7文献标识码：B

随着时代的发展科学技术日新月异，当今社会信息技术越来越多地应用于我们的生产生活「1」.物理教学也需要与时俱进，适应新时代要求.在新形势下物理实验教学也面临着开发与创新的机遇，可从以下几个方面实施.

1 实验手段与信息技术整合

随着时代的发展，教学手段也走向信息化、现代化，实验手段也应与时俱进.数字化实验在当下已经被广泛用于课堂.数字化实验与传统实验相比，具有传输更方便、测量更便捷、采集更细密、数据更精确、显示更直观等优点，在物理教学中应用往往收到很独特的教学效果.

案例分析1：探究作用力与反作用力的关系实验.

相比用弹簧秤做实验，如图1所示，用传感器做实验，如图2和图3，具有调零便捷、读数精确、动态显示、结论直观等优点.

案例分析2：如图4所示，穿过挂有重物的动滑轮的绳子两端分别固定于两个竖直墙上的A，B两点，已知B点在A点之上.当把B端缓慢向下移动的过程中，绳上拉力如何变化？

A.不变 B.先变小，后变大

C.先变大、后变小

D.不断变小

如果在学习完力的平衡后让学生讨论这一问题，同学中选B或C同学较多，选A的同学最少.教学中也可借助DIS数字化实验系统，开发一个如图5所示的实验.考虑到图中两边绳拉力应该相等，为简单起见，用一个传感器测绳中拉力.实验中有传感器的一端保持不动，另一端沿着框架边逐渐下移，每下移一个位置，如图6，通过电脑读出绳中拉力，如图7、图8所示.

实验非常明显地显示绳中的拉力几乎不变.

对这个结果学生会感到惊讶，确实直观感觉不应该这样.然后再来进行理论分析，学生恍然大悟，对力的动态变化规律有了深刻的理解，學生的思维品质得到了较大提升.

2 实验内容与教学需要整合

实验应贯穿于课堂教学之中，要不要演示、演示什么样的内容，应有机地与教学内容相结合，教材中没有的也可以创设，习题课有时也需要做实验.

在习题课上对一些习题中涉及到的结论也可以用实验辅助验证，起到强化理解的作用.

案例分析3：如在高一必修牛顿运动定律应用一节教学中，要遇到对光滑斜面上物体下滑时间的讨论，如果对这样的内容采用以下形式，教学会更精彩.

题目1：如图9，一竖直圆内有若干光滑轨道OA、OB、OC、OD，将一小物体从最高点O点沿不同轨道下滑，到达圆周时哪个轨道用时最短？哪个最长？

先让学生讨论，再通过理论分析得出到达圆周的时间相等.

用一废旧自行车车圈，自制一个类似轨道的钢丝，让每个钢丝上套上相同的小环，实验观察同时从O点下滑的小环，同时到达圆周（如图10）.

3 实验器材制作与3D打印技术整合

早在上世纪50年代，苏州大学朱正元教授就提出“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”，这一思想现今仍然需要继承，同时新时代下我们开发实验器材如果借助3D打印技术，可以使教具的制作更方便，更有质地.

如图11用3D打印制作的火车车轮模型「2」，把这个模型展示给学生看，使学生对火车运行的轮轨力学原理有了感性的认识，学生对火车转弯问题不再感到难度那么大了.

图12是根据3D打印制作的车球摆动模型，这个模型可以比较好地帮助学生理解内力不改变系统运动状态，对相关问题的讨论变得有理有据，说服力强.

4 实验数据采集与软件工具整合

最新人民教育出版社物理教材在编写过程中已经介绍了一些有利于物理教学或实验的软件工具，实际教学中利用这些实验软件可方便地做出实验.

案例分析4：在高三教学中有这样一道题目：如图13所示，A物体用板托着，位于离地h=1.0m处，轻质细绳通过光滑定滑轮与A、B相连，绳子处于绷直状态，已知A物体质量M=1.5 kg，B物体质量m=1.0kg，现将板抽走，A将拉动B上升，设A与地面碰后不反弹，B上升过程中不会碰到定滑轮，问：B物体在上升过程中离地的最大高度为多大？取g =10m/s2.

这道题与2008年普通高校招生统一考试全国卷理综卷一道试题相似，旨在考察学生对系统机械能守恒的理解.但这道题不少同学给出的答案是错误的，其中一种最典型的错误是：

对A拖着B下落的全过程，对系统运用机械能守恒定律，A的机械能减少等于B的机械能增加，即有：Mgh=mgH，解得：H=1.5m.

当然还有其他错误.但这个错误，每次测试考到这样问题，每届同学都会有类似问题产生，而且多数还是成绩相对较好的学生.

在教学中，先引导学生思考：A与地面碰撞的过程中，连接A、B间的绳子是松弛的，那A的动能到哪里去了？通过讨论学生能明白A撞地过程，是非弹性碰撞，A的动能应该是转化为内能.但学生对这个问题的认识并不理解，时间一长学生又回到原来的认知水平上.于是为了使学生对这个问题有感性认识，笔者用实验室重锤做了一个类似打夯这样的劳动工具，让学生课后轮流动手做实验，在重锤与地面碰撞多次后，用手摸一摸物件与地面，学生会感到震惊，因为确实很烫.

同时借助计算机辅助运用solidwork软件可以展

示物体与地面撞击时，物体内部温度的变化视频，图14和图15是两帧视频，代表该物体刚碰地面不久和碰撞将要结束瞬间，通过视频播放，学生对物体撞击地面生热有了更深刻的印象，今后再遇到类似问题时，学生便难以忘怀.

5 结束语

还原物理课的特征本质属性，让物理实验成为物理课上一道亮丽的风景线，不拘泥于教材，不惧权威，大胆先行先试，让我们的物理课也魅力四射，让学生永远想念我们的课堂.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]张飞翔，许锋.高中物理课外学生实验的创新研究[J].实验教学与仪器 ，2018（11）：6-7+12.

（收稿日期：2019-02-23）