重视手机实验,助力实验教学,提高学科素养——以2023年高考物理湖南卷第11题为例

李睿韬

(广东省佛山市三水区华侨中学)

2019年11月《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》的出台,作为一门以实验为基础的学科,物理教学中实验的重要性毋庸置疑。我们常说无实验没物理。可见实验对于物理学科的重要性,依据物理学科核心素养修订的最新《普通高中物理课程标准(2017年版)》中多次强调信息技术的应用,如“提高物理教学水平,发展学生物理学科核心素养,离不开信息技术与物理学习的融合。要设计各种学习活动让学生利用信息技术提升物理学习能力”等。我们现在设想融合信息技术的新型教与学模式来突破物理实验的难点,提高其有效性教学,也为实现突破高考提供一些可行性的建议。

1.高考题赏析

1.1 试题与解析

(2023湖南卷·11)某同学探究弹簧振子振动周期与质量的关系,实验装置如图1所示,轻质弹簧上端悬挂在铁架台上,下端挂有钩码,钩码下表面吸附一个小磁铁,其正下方放置智能手机,手机中的磁传感器可以采集磁感应强度实时变化的数据并输出图像,实验步骤如下:

(1)测出钩码和小磁铁的总质量m;

(2)在弹簧下端挂上该钩码和小磁铁,使弹簧振子在竖直方向做简谐运动,打开手机的磁传感器软件,此时磁传感器记录的磁感应强度变化周期等于弹簧振子振动周期;

图1

(3)某次采集到的磁感应强度B的大小随时间t变化的图像如图2所示,从图中可以算出弹簧振子振动周期T=________(用“t0”表示);

图2

(4)改变钩码质量,重复上述步骤;

(5)实验测得数据如下表所示,分析数据可知,弹簧振子振动周期的平方与质量的关系是________(填“线性的”或“非线性的”);

m/kg10T/sT/sT2/s20.0152.430.2430.0590.0253.140.3140.0990.0353.720.3720.1380.0454.220.4220.1780.0554.660.4660.217

(6)设弹簧的劲度系数为k,根据实验结果并结合物理量的单位关系,弹簧振子振动周期的表达式可能是________(填正确答案标号);

(7)除偶然误差外,写出一条本实验中可能产生误差的原因:

。

1.2 试题评价

高考评价体系主要由“一核、四层、四翼”三部分内容组成。其中“立德树人、服务选才、引导教学”,是核心内容,2023年湖南卷第11题很好地体现了其要求。从考查内容来看,本题考查的是弹簧振子、周期性运动、单位量纲等“必备知识”;通过对新仪器使用、图像、数据处理等的“关键能力”和通过实验原理分析得出实验误差来源的“学科素养、核心价值”,这“四层”充分体现了素质教育的育人目标;“四翼”为考查要求,用智能手机代替传统仪器来进行实验,既体现了实验的“应用性”和“创新性”,又考查了学生对实验原理的理解和新仪器使用的知识迁移能力,是素质教育的评价维度在高考中的体现。智能手机作为情景载体,这个新时代宠儿把来源于教材的实验给考生一个既熟悉又陌生的感觉。引导教学从原理出发,从身边器材出发,关注智能手机给生活乃至实验带来的改变,提高物理教学水平,发展学生物理学科核心素养,离不开信息技术与物理学习的融合。要设计各种学习活动让学生利用信息技术提升物理学习能力。

2.智能手机实验

智能手机软件中,有可用来采集数据的传感器,我们可以将原始数据与结果导出,做进一步的分析。支持的传感器有加速度计、磁力计、陀螺仪、光强度计、压力计、麦克风、距离传感器和GPS等。

其中,RH为霍尔系数,KH为霍尔元件的灵敏度。霍尔电压随着磁场的强度变化,通过传感器靠近磁性物质,磁感应强度B将发生改变,霍尔电压UH也随之改变,经过电路中放大器将霍尔电压放大进而将电信号进一步处理。

图3 实验装置

图4 磁感应强度B随时间变化图像

3.实验教学启示

3.1 重视手机实验

智能手机作为日常生活中最常见的用品,当我们用它作为探究物理知识的工具,学生才能真正体会到信息技术跟生活密不可分。物理很多概念、现象比较抽象,传统的实验器材又不尽人意,智能手机软硬件功能日益强大,自带很多传感器,只要我们利用得当,手机就是一座带在身边的物理实验室。一线教师设计实验方案让学生亲身体验实验过程,让学生体会到利用手机等信息技术手段研究物理知识的乐趣。务必提高学生科学探究的物理学科核心素养,提高物理教学的有效性。

3.2 智能手机实验助力实验教学,提高学科核心素养

通过验证型实验、探究型实验和测量型实验的方案设计来体现智能手机实验对物理实验教学的帮助及其优越性。学生从中产生新的体验感和新的创新意识,从而激发探究热情去进行实验创新和科学探究。

3.2.1 用单摆实验验证当地重力加速度

从网上查到当地的重力加速度数据,然后通过实验来验证其大小。实验装置如图5所示,把磁铁吸附于小铁球下面,单摆的正下方放置手机,打开软件,当单摆小角度(经过多次实践最好1度左右)摆动时,利用智能手机自带的磁感应强度传感器,采集磁感应强度随时间周期性变化数据(如图6所示),从而测出单摆的周期T。

图5 实验装置

图6 磁感应强度随时间周期性变化图像

d为小铁球的直径,则单摆的摆长为

利用智能手机的磁力传感器,可以比较方便准确地测量当地重力加速度,然后跟网上数据进行比较。

3.2.2 研究失重、超重

智能手机自带的加速度传感器可以很好地应用于力学实验。例如研究失重和超重:打开软件,用手平托手机在体重计上进行起立和下蹲动作,我们除了可以看到体重计的读数变化,智能手机还可以记录加速度的数据(如图7所示)。由图像可以看出,人在起立过程先超重后失重,中间段人处在静止状态加速度为零压力等于重力,下蹲过程先失重后超重。还可以带着手机到电梯里面研究失重和超重。加速度实时变化通过手机即时显示出来,让学生能充分探究失重、超重现象产生的原因,从而透彻理解物理概念。

图7 加速度与时间变化图像

3.2.3 测定弹簧劲度系数

实验时将手机连接在弹簧下端,使手机在竖直方向做简谐振动(如图8所示),打开软件,点击“弹簧”选项,可以测出简谐运动的周期T和频率f(如图9所示)。其原理是通过加速度传感器,测得不同时刻竖直方向的加速度,通过“竖直方向加速度-时间”图像软件自动获得简谐运动周期T。

图8 手机在竖直方向做简谐运动

图9 测出简谐运动的周期T和频率f

根据弹簧振子做简谐运动的周期公式:

测出弹簧振子质量m和弹簧振子周期T,就可以准确快捷得出弹簧的劲度系数k。

4.结语

信息技术与物理课堂融合是当前教育的发展趋势,智能手机的加入使很多只能定性地实验得以定量演示,使动态变化尽收眼底,实验教学更有效。完整的实验教学应该是课堂上的实验教学与课后学生的自主探究相结合。智能手机就可以给学生带来这个便利。学生利用智能手机进行物理实验,使实验室搬离学校,使实验探究搬离实验室,学生随时随地都可以进行实验研究。学生实验探究的兴趣被激起,动手能力被加强,学科核心素养得以提高。