自制数字化教具,赋能创新型课堂——以“力传感器式凹凸桥演示器”为例

戎 杰 胡科杰 叶 春

(浙江省慈溪中学,浙江 宁波 315300)

党的二十大对“着力造就拔尖创新人才”提出了更高的要求,创新人才的培育离不开创新思维的发展.创新思维是指从全新的角度看待问题,以新颖的方法解决问题,产生积极的、有社会意义的思维成果.而高中物理教学的重要任务即通过创新型课程的开展,发展高阶创新思维,提升必备核心素养.

“超重和失重”问题是普通高中物理课程《必修第2册》第6章第4节“生活中的圆周运动”中的教学重点,教师往往通过研究生活中的典型情境：汽车过凹凸桥问题,分析汽车过凹桥最低点及凸桥最高点时的超失重状态,从而引导学生加深对竖直面内圆周运动规律的认识,提高圆周运动模型建构的能力.那么,如何直观呈现汽车在凹桥最低点(凸桥最高点)所受重力和支持力的大小关系,进而完成定量探究过程,这是留给物理教师的工作.

1 数字秤式凹凸桥演示器

笔者查阅了现在大多数实验室使用较多的“凹凸桥演示器”,实验装置如图1所示.

图1 数字秤式凹凸桥演示器

实验装置：数字秤、凹凸桥轨道、电磁铁、钢球、接收盒等几部分组成.

实验原理：电磁铁接通电源,吸附钢球静止于轨道最高点,整个装置处于静止状态,测出凹凸桥轨道和钢球的总重力G1;电磁铁断开电源失磁,钢球从轨道最高点滚下,依次通过凹桥最低点和凸桥最高点;用数字秤测出钢球通过凹桥最低点和凸桥最高点的压力分别为G2、G3.通过比较G2和G1、G3和G1的大小关系,确定钢球在凹桥最低点和凸桥最高点的超(失)重状态.

此装置的优点如下.

(1) 钢球在静止时、凹桥最低点、凸桥最高点的压力大小都可用数字秤直观显示,超(失)重判断理论依据充分.

(2) 电磁铁通电后产生磁力吸附作用,可确保钢球每次在轨道上的运动过程完全相同(初位置相同、初速度均为0),运动到凹桥最低点、凸桥最高点的速度、压力也完全相同.

然而笔者在实验操作中发现,上述装置可操作性不强.钢球完成整个运动过程的时间极短,数字秤的指针快速晃动,很难在某一次运动中精确测定钢球在凸桥最高点、凹桥最低点对轨道的压力,尤其是钢球在凸桥最高点对轨道的压力小于重力的现象十分不明显.

2 力传感器式凹凸桥演示器

基于此,笔者对上述装置做了改进与创新,利用朗威力传感器测量钢球对凹凸桥的压力大小,如图2所示.

图2 力传感器式凹凸桥演示器

2.1 实验器材

倾斜轨道、钢球、平桥、凹桥、凸桥、竖直铁板、附有强磁铁的光电门、升降台、朗威力传感器、接收盒、朗威DISlab 8.1软件.

2.2 实验装置(如图3所示)

图3 装置示意图

2.3 实验原理

把数字秤改为朗威力传感器,固定在凹凸桥下端,利用力传感器精确测量钢球对平桥、凹桥最低点、凸桥最高点的压力大小.传感器下端固定在升降台上(可以调节竖直高度),通过调节升降台高度,使左右两部分轨道平滑拼接在一起,钢球的运动从而可看成一个完整的运动.光电门放置在桥的上方,当钢球经过光电门时,测量挡光时间t,桥的后侧竖直放置一块铁板,光电门侧面安装强磁铁,可以配合凹凸桥及升降台的高度,灵活固定在竖直铁板上的任意位置.通过测量钢球对3种桥的压力大小F,明确超(失)重规律;通过测量钢球通过3种桥时的挡光时间t(可反映瞬时速度v的大小关系),进一步比较压力与速度大小的关系.

2.4 实验步骤

(1) 把平桥力传感器固定在升降台横杆上,调节升降台的高度,使平桥和左侧轨道紧密衔接.在轨道后侧竖直放置铁板,在上方合适位置固定光电门,使光电门的信号发射孔对准钢球滚过该位置的球心高度.

(2) 将钢球放在平桥上,读出钢球静止时力传感器的示数F0,即钢球的重力大小G.

(3) 使小球从倾斜轨道某一高度静止释放,获得一定速度,测量钢球通过平桥时光电门的挡光时间t1,力传感器的示数F1,即钢球对平桥的压力大小.比较F1与G的大小关系,确定钢球在平桥运动的超(失)重状态.

(4) 把平桥换为凹桥,用同样的方法测量钢球通过凹桥最低点时光电门的挡光时间t2,力传感器的示数F2,即钢球对凹桥最低点的压力大小.比较F2与G的大小关系,确定钢球在凹桥最低点的超(失)重状态(如图4所示).

(5) 把凹桥换为凸桥,用同样的方法测量钢球通过凸桥最高点时光电门的挡光时间t3,力传感器的示数F3,即钢球对凸桥最高点的压力大小.比较F3与G的大小关系,确定钢球在凸桥最高点的超(失)重状态(如图5所示).

图4 凹桥最低点的压力和挡光时间

图5 凸桥最高点的压力和挡光时间

(6) 在钢球直径确定的情况下,比较挡光时间t1、t2、t3,得知通过光电门的瞬时速度v1、v2、v3大小关系(挡光时间越长,瞬时速度越小),结合F1、F2、F3大小关系,最终确定通过不同桥时压力和瞬时速度的大小关系.

2.5 实验数据(如表1所示)

表1

2.6 实验结论

(1) 在平桥实验中,测得F1=F0=0.69 N,说明钢球通过平桥时,既不超重也不失重,且压力大小始终等于重力大小,与挡光时间无关.

(2) 在凹桥实验中,测得钢球两次通过凹桥最低点时的压力F2分别为1.45 N和1.58 N,均大于钢球重力,说明钢球处于超重状态.此外,挡光时间越短,瞬时速度越大,压力越大.

(3) 在凸桥实验中,测得钢球两次通过凸桥最高点时的压力F3分别为0.53 N和0.34 N,均小于钢球重力,说明钢球处于失重状态.此外,挡光时间越长,瞬时速度越小,压力越大.

3 结语

本套力传感器式凹凸桥演示器利用数字化软件强大的数据采集和处理能力,有效突破教学难点,解决了数字秤式凹凸桥演示器钢球运动过程时间短、指针晃动剧烈、压力大小难以精确测量的弊端,将其应用于课堂教学之中,既能激发学生物理学习兴趣,又能开阔学生视野、发展创新思维、提升核心素养.