巧借现代技术 妙学物理规律

齐国元

(杭州第四中学 浙江 杭州 310018)

曾裕

(杭州学军中学 浙江 杭州 310012)

物理实验是物理教学的重要教学手段，可以毫不夸张的说：“无实验、不物理”.好的实验设计能将复杂的物理知识直观地呈现在学生面前，清晰的实验现象(效果)能增强学生对物理知识的直观感受，进而激发学生挖掘实验现象背后的物理规律，有助于提升学生对物理知识的求知欲，有助于学生对物理规律的理解.传统实验的设计中蕴含着丰富的物理思想，折射出鲜活的物理规律，但是有些传统实验由于种种限制，实验呈现效果不佳、实验剖析力度不深使实验在教学中的教学效果大打折扣.借助现代教育技术的特有优势为实验教学提供大量的便捷方法和手段，当传统实验和现代技术邂逅，物理实验效果呈现的更加完美，实验内涵的挖掘更加深入，物理规律的理解更加深刻，实验现象与物理知识更加融合.传统实验和现代技术的完美融合让物理实验从“看不到”变得“看得到”；从“看不清”变得“看得清”；从“定性看”变成“定量看”.

1 巧用传感技术将“看不到”变得“看得到”

案例一：“自感”教学中教材设计了一个断电自感实验,如图1所示，让学生用肉眼观察图1中的灯泡“闪亮一下再熄灭”.笔者在教学中发现，由于教室空间的局限性，很难让所有学生都能清楚地看到上述实验现象，再加上由于缺少对比，实验呈现效果不够理想，更重要的是，学生无法通过观察灯泡亮度的变化发现：“通过图1中灯泡的电流方向发生改变”这一重要的物理规律.

图1 教材中的断电自感实验电路图

为了使实验呈现效果更加的直观清晰，笔者使用传感器技术对“断电自感”实验进行改进.利用电流传感器、数据采集器和计算机信息处理系统，进行数据采集处理，并把实验结果直接用图像形式呈现出来.具体设计如下：在图1中灯泡上串接上一个电流传感器，启动数据采集器，断开开关S，数据采集器采集流经灯泡的电流信号，利用相关软件直接画出“i-t”图像，实验结果如图2所示，从中可以清楚地观察得出，流经灯泡的电流在电键断开的一瞬间突然变得更大，很好地解释了灯泡会“闪亮一下再熄灭”，并且图像中清楚地看到流经灯泡的电流方向发生了改变.借用现代教育技术中的传感器对实验进行改进，让传统实验中无法呈现的“电流反向”清楚地展现在学生面前，让“灯泡闪亮一下再熄灭”更加具有说服力.

图2 利用现代技术对“断电自感”实验改进得到的i-t图像

传感器技术有着灵敏捕捉信号、快速记录数据、实时图像显示的强大功能，利用传感器技术我们可以将传统实验中无法捕捉和记入的实验数据实时动态地呈现出来，实现暂态现象凝固化让原先看不到的实验现象变得看得到.

2 巧用手持技术将“看不清”变得“看得清”

案例二：在“牛顿第二定律瞬时性的研究”的教学中，为了向学生展示：“绳子拉力可以发生突变，弹簧弹力不能发生突变”，通常会设计一组演示实验，具体如下：

图3 实验一图

实验一：已知物体A和B的质量均为m，通过轻质弹簧相连，整个系统处于静止状态,如图3所示，若突然撤去作用于绳子上的外力F，让学生观察实验现象，而后分析撤去外力瞬间物体B的加速度？

实验二：把A,B两物体间的弹簧换成绳子，若突然撤去作用于绳子上的外力F，让学生观察实验现象，而后分析撤去外力瞬间物体B的加速度？

笔者在教学中发现，由于物体下落很快，学生很难凭借肉眼观察到A,B两物体的相对运动情况，进而分析物体B在撤去外力F瞬间的加速度.若能让整个下落过程慢下来，这样就能让学生通过观察下落过程中A,B两物体的相对运动情况来分析撤去外力瞬间物体B的加速度，并通过对比体会绳子和弹簧的区别.利用现代智能手机中的“慢动作”拍摄，很好地达到上述效果，为了增强实验的真实感，课堂上现场拍摄视频，用现代教育技术中的同屏软件，将手机屏幕同步到投影仪上，让所有学生都能清楚的看到实验现象，并且通过背景墙面的标记物可以利用视频截取图片进行定格分析.

图4 物体A，B间用弹簧连接，撤去外力F前，A，B两物体的位置

图5 物体A，B间用弹簧连接，撤去外力F后，A，B两物体的位置

图6 物体A，B间用绳子连接，撤去外力F前A，B两物体的位置

图7 物体A，B间用绳子连接，撤去外力F后，A，B两物体的位置

本次实验改进利用现代技术中的“慢动作”很好地让学生观察到清晰的实验现象，符合“先实验探究、后理论分析”的认知顺序.

3 巧用应用软件将“定性看”变成“定量看”

案例三：在运动的合成与分解的教学中，教材设计了“红蜡块实验”，意在通过学生观察“红蜡块”的运动，来体会“分运动”“合运动”等概念，以及感受“合运动与分运动”之间的关系.在教学中我们发现由于“红蜡块”是动态运动的，且没有留下运动轨迹，学生很难观察出红蜡块“合运动”的运动情况，更不用说找到“合运动”与“分运动”之间的关系了.

为了解决这个问题，对传统实验进行优化，利用现代教育技术中的“慢动作”拍摄，减缓红蜡块的运动速度，以便于学生进行实验观察.但是怎么样让学生体会“红蜡块”水平方向的匀速直线运动和竖直方向的匀速直线运动的合运动一定是匀速直线运动呢？并且知道合运动与分运动之间遵循平行四边形定则呢？笔者在拍摄慢动作视频的基础上，利用Tracker软件进行视频的定量分析，很好地突破了上述教学难点.具体做法如下：

拍摄视频1：将盛水玻璃管竖直放在小车上，用磁铁将红蜡块(内部插有铁钉)吸在玻璃管底部，用同步电机(可用变频电源调速)匀速拖动小车运动，使红蜡块在水平面做匀速运动，如图8所示.

图8 红蜡块水平匀速运动实验

拍摄视频2：关闭电机，移走管子上的磁铁，释放红蜡块，很快红蜡块将竖直向上做匀速直线运动，如图9所示.

图9 红蜡块竖直向上匀速运动实验

拍摄视频3：启动电动机后，立即释放红蜡块，使红蜡块一边水平向右匀速运动，一边向上做匀速运动，如图10所示.

图10 红蜡块合运动实验

视频分析:

(1)对视频1分析(具体操作过程略去)

从x-t图像(图11)中我们发现，红蜡块在电机启动阶段做加速运动后很快做匀速运动，对x-t图像进行线性拟合，得到红蜡块做匀速运动的速度为0.035 m/s.

图11 红蜡块实验视频1的x-t图像

(2)对视频2进行分析(具体操作过程略去)

从y-t图像(图12)中我们发现，红蜡块在释放初始阶段做加速运动后很快做匀速运动，对y-t图像进行线性拟合，得到红蜡块做匀速运动的速度为0.057 m/s.

图12 红蜡块实验视频2的y-t图像

(3)对视频3分析(具体操作过程略去)

从x-t图像中我们发现，红蜡块在释放初始阶段做加速运动后很快做匀速运动，对x-t图像进行线性拟合，得到红蜡块做匀速运动的速度为0.067 m/s.

图13 红蜡块实验视频3的x-t图像

定量分析：验证运动的合成与分解满足平行四边形定则,两个分运动互相垂直，计算两个分速度的平方和

合速度平方

得到

说明运动的合成满足平行四边行定则.

本次实验改进利用现代技术中的“视频编辑软件”很好地让学生体会到“合运动与分运动的关系”，感受到物理实验和物理规律的完美契合.