利用DIS探究杠杆的平衡条件①

陈美琴 钱建和

(1. 江苏省南京市第二十九中学柳洲东路分校,江苏 南京 210031;2. 江苏省泰州市凤凰小学,江苏 泰州 225400)

《义务教育物理课程标准(2022年版)》指出:“教师要充分发挥信息技术的优势,将信息技术有效融入物理教学,创新教学方式,提升教学效率。同时,应鼓励学生将信息技术运用到物理学习中,帮助学生适应数字化时代的要求,提升学生运用信息技术的能力。”数字化是信息技术发展的时代特征,将数字化实验融入传统实验,可增强实验现象的可视性和实验数据釆集的实时性。在有的初中物理实验教学中存在实验现象不明显、实验数据难收集、实验效果差及教学效率低的现象,究其原因,是部分教师在实验教学中,只关注实验本身如何做,而忽视了科学思维和探究能力的培养。如何使实验教学发挥其应有的核心素养培养功能呢?本文以“探究杠杆的平衡条件”实验教学为例,进行深入探讨。

1 DIS简介

数字化信息系统(Digital Information System,简称DIS)的基本构成是传感器、数据采集器、计算机。传感器是将非电学信号转换为电学信号的器件,可测量力、位移、温度、光、电压、电流等物理量。数据采集器将传感器采集到的各种电信号转化为数字信号后输入计算机,计算机通过应用软件进行分析处理,并以多种形式实时显示在计算机的屏幕上。DIS传感器可以代替传统的测量仪器对多种物理量进行数据采集和实时处理与分析。

2 DIS在实验教学中的应用

利用DIS进行“探究杠杆的平衡条件”实验教学,使学生经历提出问题、寻找证据、解释证据的过程,培养他们的科学思维和探究能力。

2.1 做真实验,提出真问题

苏科版初中物理教材对“探究杠杆的平衡条件”提供了如图1所示的实验装置,在新授课时笔者为学生提供器材,让学生自主探究。有的学生很自信地按步骤进行实验,然而做完实验后发现,并没有得到“F1l1=F2l2”的结论。学生按正确的实验步骤做“真实验”却得不到“真结论”,引发了学生思考。学生通过观察、思考,发现:在本实验中弹簧测力计是倒置使用,有的同学在实验前没有正确调零,影响了实验的结果。

图1

2.2 引入DIS,改进探究教学

由于弹簧测力计调零中出现的问题,影响了实验的结果,笔者考虑将DIS引入探究教学中,用力传感器代替弹簧测力计,可简化调零过程,使学生专注于杠杆平衡条件的探究。

教师提问:能否用其他器材替换弹簧测力计?在“力的作用是相互的”的学习中使用过力传感器的学生提出:可以用DIS的力传感器替代弹簧测力计。

教师顺势引导学生利用力传感器探究杠杆的平衡条件,具体实验步骤如下:

(1) 将力传感器接入数据采集器,调节杠杆上的平衡螺母使杠杆在水平位置平衡,利用DIS的“调零”功能将力传感器调零。

(2) 如图2所示,将钩码挂在杠杆上,设力传感器对杠杆的拉力为动力,钩码对杠杆的拉力为阻力,杠杆在水平位置平衡时,读出实验数据:F11=1.0 N,F21=2.0 N,l11=10.0 cm,l21=5.0 cm。

图2

(3) 如图3所示,不改变钩码的质量和位置,改变动力臂的大小,杠杆在水平位置再次平衡时,读出实验数据:F12=2.0 N,F22=2.0 N,l12=5.0 cm,l22=5.0 cm。

图3

(4) 多次改变钩码的质量和位置以及力传感器的挂放位置,读出实验数据。分析实验数据,通过归纳总结,得出杠杆的平衡条件。

笔者在教学过程中发现,学生在熟悉DIS操作的基础上,只需要每次固定好力传感器的位置,加减钩码或者移动钩码的位置,就能较快地完成该实验,数据记录方便快捷,最终通过分析、归纳,学生能顺利得出结论:在实验误差允许的范围内,动力乘以动力臂等于阻力乘以阻力臂。

用力传感器替代弹簧测力计的优点在于在实验过程中学生能够体验到,固定好力传感器,不但能正确校零,还方便操作,深化学生对传感器的认识,利用DIS软件能直接显示动力的大小,可减小动力的读数误差。

3 DIS在课堂作业中的应用

在传统实验中融合DIS探究出杠杆的平衡条件后,笔者布置的课堂作业是:利用力传感器演示在动力臂和阻力臂一定时动力和阻力的关系,分析实验图像,进一步探究杠杆的平衡条件,实验步骤如下:

(1) 在数据采集器上同时接入两只力传感器,左侧力传感器固定在距离支点5 cm位置,右侧力传感器固定在距离支点10 cm位置。同时对两个力传感器进行调零。调节杠杆两端的平衡螺母,使杠杆在水平位置平衡。

(2) 运用DIS的“组合图线”功能,设置横轴为右侧力传感器的示数F1,纵轴为左侧力传感器的示数F2。

(3) 学生1竖直向下拉左侧力传感器同时,学生2竖直向下拉住右侧力传感器,确保杠杆保持在水平位置平衡,DIS会绘出F1-F2图像(图4)。

图4

笔者提出了以下问题:(1) 如何从实验记录的图像上找到杠杆平衡条件的证据?(2) 如何继续实验,使实验规律具有普遍性?

通过课堂作业的完成,助力学生理解、掌握杠杆的平衡条件。

4 结语

从上述课堂教学活动来看,学生的思维活动是从真做实验开始的,实验数据的异常引发了学生的思考,进而引入DIS,使学生专注于杠杆平衡条件的探究。利用DIS做实验,能激发学生的学习热情,以实验事实为抓手,引导学生体验探究过程,有助于学生自主发现规律,进行创新实验。