基于现代信息技术的“超重和失重”实验教学创新设计①

任虎虎

(江苏省太仓高级中学,江苏 苏州 215411)

1 问题的提出

现代信息技术融入物理教学的重要途径是通过实验改进与创新,它是助力物理实验教学创新的有效工具,基于现代信息技术可以解决很多传统实验中存在的问题,能够更加形象、深刻地呈现物理现象,揭示物理本质。

在“超重和失重”的教学中,传统实验装置是弹簧测力计或体重计,通过物体在竖直方向上运动来观察示数变化,这两个装置有共同的缺点:(1) 在弹簧测力计下面挂物体,当物体运动或者人站在体重计上下蹲、起立时,弹簧测力计或体重计示数变化太快,来不及观察;(2) 学生只是大致对竖直方向的运动(例如下蹲或起立过程)进行建模,就总结得出结论:加速度向下时失重、加速度向上时超重。对于这个过程中物体速度随时间的变化关系,学生难以把握,在模型建构和总结归纳方面都存在困难。

另外,对于超重和失重,学生已有一些体验和感性认识,除了上述两个实验探究遇到的问题外,还存在两个认知困难:(1) 在语言上,容易使学生认为超重(或失重)就是物体重量的增加(或减少);(2) 在理解上,学生往往会认为向上运动时超重,向下运动时失重。因此本节课基于前面牛顿运动定律的学习,采用实验和理论探究相结合、自主学习和合作学习相结合,透过现象认识问题的本质。

2 问题的分析

为了帮助学生深刻理解超重和失重产生的原因,克服传统实验教学遇到的困难,需要充分利用现代信息技术,从定性到定量使实验现象和运动过程可视化,帮助学生更好地建构物理模型和总结规律。

2.1 实验资源整合

实验创新设计主要体现在三个方面,整合现代信息技术的实验资源以及意图如表1。

表1

2.3 实验教学过程

(1) 创设情境,引出核心概念

课堂上让学生体验生活场景:用指针式体重计测体重,一个同学体验,借助手机投屏软件让其他同学观察。然后引导学生提出问题:体重计示数表示什么?身体不接触其他东西,如何使示数发生改变?学生观察到有示数大于其体重的时候,也有小于其体重的时候,从而引出本节课的核心概念:超重和失重现象。

教学意图:利用生活中的常见装置——指针式体重计,让学生定性感知,认识压力和重力的关系,得出超重和失重的概念。

(2) 提出问题,引导学生合作探究

在了解超重和失重概念的基础上,让学生思考:对于超重和失重,你想研究哪些问题?预设3个问题:(1) 超重和失重是如何产生的?(2) 为什么会出现超重和失重现象?(3) 在生活中有哪些应用?

对于超重和失重产生的原因,引导学生继续借助指针式体重计进行小组合作探究,一个同学站在体重计上做下蹲、起立动作,其他同学仔细观察人的动作和台秤示数的变化情况。

在观察的过程中发现指针示数变化太快,不好分辨,从而生成问题:如何解决这个问题?针对生成的问题引导学生自主寻找解决方案。

教学意图:让学生小组合作,组内自主分工,培养团队合作能力,一个同学做动作,其他同学仔细观察。这个过程中会产生新的问题,引导学生讨论解决方案。

(3) 整合资源,引发深度学习

首先,利用DIS的测力板传感器呈现下蹲、起立过程中压力随时间的变化图像(图1)。学生由图1发现:在下蹲过程中先出现失重现象后出现超重现象,起立过程则是先出现超重现象后出现失重现象,即超重和失重的产生与速度方向无关。

图1

其次,引导学生从理论上对下蹲和起立过程进行模型建构:下蹲的初速度为0,下蹲到最低点时速度也为0,所以下蹲可以分为两个运动过程:先向下加速,后向下减速。同理,起立过程为:先向上加速,后向上减速。建构的物理模型对不对呢?需要应用现代信息技术进行验证。

如图2所示,用Tracker软件对人完成一次下蹲、起立过程中的视频进行分析(Tracker软件是一款能对运动过程视频进行逐帧、定量和二维分析的软件),进而得到竖直方向上位移随时间变化的图像(图3),图像的斜率表示竖直方向的加速度,从位移—时间—图像中发现:在下蹲过程中人先向下加速,后向下减速;在起立过程中人先向上加速,后向上减速。很好地验证了前面构建的模型,进一步总结归纳得出超重、失重产生的原因。

图3

教学意图:用DIS描绘传统实验难以得到的压力随时间变化的图像,用Tracker软件对理论建模结果进行验证,理论和实验不断双向互动,使学习不断走向深入。

(4) 迁移应用,引领拓展延伸

在总结归纳得出超重和失重产生的原因后,引导学生应用牛顿第二定律进行理论分析,当加速度竖直向下时,由:mg-FN=ma,得FN=mg-ma,并且向下的加速度越大,压力越小。对于这个理论分析结果,可以用自制的超重和失重演示仪进行验证。其主体结构是一个长约为1 m、直径约为2.5 cm的PVC管,PVC管下端用橡皮膜(气球)封住,里面装高约0.8 m 的水,橡皮膜由于水的压力作用而产生形变,上端用堵帽封住,防止水流出来,便于携带。

如图4所示,利用Phyphox软件和手机中的加速度传感器,将手机固定在自制超、失重演示仪橡皮膜的上方,将一个手机支架的一端固定在竖直PVC管上,另一端连接另一个手机,拍摄视频,调整角度在拍摄界面可以同时观察加速度值和橡皮膜形状,放手后一起下落,两个手机和橡皮膜都保持相对静止。

在实验中可观察到加速度逐渐增大,而橡皮膜形变逐渐变小,当加速度接近重力加速度时,橡皮膜基本没有形变(图5),将压力随加速度的变化的全过程展示出来,可拓展到完全失重现象。

图5

教学意图:在理论分析的基础上,让学生直接观察压力大小随加速度大小的变化情况,使学生进一步理解知识的本质,促进灵活应用。在整个探究过程中实验和理论相互促进、相互印证,这和物理学的发展脉络是一致的。

3 问题的解决

通过“议一议”和“做一做”,评价和反馈学生对超重和失重的理解深度,“说一说”是在思考中评价,议一议”是在互动中进行评价,“做一做”则是在应用中进行评价。

说一说:通过本实验的探究,你收获了哪些知识与方法?

议一议:在完全失重的情况下,用弹簧测力计还能测出重力吗?浸在水中的物体还受浮力吗?水银气压计还能测出气压吗?

做一做:我国宇航员在2021年12月9日的“天宫课堂”中展示了“浮力消失”实验,请同学们分小组合作设计方案并进行实验,在地球表面上也实现“浮力消失”,下节课分享探究的过程、观察的现象和科学的解释。