新形勢下物理實驗的開發與創新

許鋒　張飛翔

摘 要：從實驗手段、實驗內容、實驗器材、實驗數據采集幾個方面，通過案例說明如何在新形勢下開發和創新物理實驗，促進物理實驗教學與信息技術的整合.

關鍵詞：物理實驗;信息技術;整合

文章編號：1008-4134（2019）19-0058中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

隨著時代的發展科學技術日新月異，當今社會信息技術越來越多地應用于我們的生產生活「1」.物理教學也需要與時俱進，適應新時代要求.在新形勢下物理實驗教學也面臨著開發與創新的機遇，可從以下幾個方面實施.

1 實驗手段與信息技術整合

隨著時代的發展，教學手段也走向信息化、現代化，實驗手段也應與時俱進.數字化實驗在當下已經被廣泛用于課堂.數字化實驗與傳統實驗相比，具有傳輸更方便、測量更便捷、采集更細密、數據更精確、顯示更直觀等優點，在物理教學中應用往往收到很獨特的教學效果.

案例分析1：探究作用力與反作用力的關系實驗.

相比用彈簧秤做實驗，如圖1所示，用傳感器做實驗，如圖2和圖3，具有調零便捷、讀數精確、動態顯示、結論直觀等優點.

案例分析2：如圖4所示，穿過掛有重物的動滑輪的繩子兩端分別固定于兩個豎直墻上的A，B兩點，已知B點在A點之上.當把B端緩慢向下移動的過程中，繩上拉力如何變化？

A.不變 B.先變小，后變大

C.先變大、后變小

D.不斷變小

如果在學習完力的平衡后讓學生討論這一問題，同學中選B或C同學較多，選A的同學最少.教學中也可借助DIS數字化實驗系統，開發一個如圖5所示的實驗.考慮到圖中兩邊繩拉力應該相等，為簡單起見，用一個傳感器測繩中拉力.實驗中有傳感器的一端保持不動，另一端沿著框架邊逐漸下移，每下移一個位置，如圖6，通過電腦讀出繩中拉力，如圖7、圖8所示.

實驗非常明顯地顯示繩中的拉力幾乎不變.

對這個結果學生會感到驚訝，確實直觀感覺不應該這樣.然后再來進行理論分析，學生恍然大悟，對力的動態變化規律有了深刻的理解，學生的思維品質得到了較大提升.

2 實驗內容與教學需要整合

實驗應貫穿于課堂教學之中，要不要演示、演示什么樣的內容，應有機地與教學內容相結合，教材中沒有的也可以創設，習題課有時也需要做實驗.

在習題課上對一些習題中涉及到的結論也可以用實驗輔助驗證，起到強化理解的作用.

案例分析3：如在高一必修牛頓運動定律應用一節教學中，要遇到對光滑斜面上物體下滑時間的討論，如果對這樣的內容采用以下形式，教學會更精彩.

題目1：如圖9，一豎直圓內有若干光滑軌道OA、OB、OC、OD，將一小物體從最高點O點沿不同軌道下滑，到達圓周時哪個軌道用時最短？哪個最長？

先讓學生討論，再通過理論分析得出到達圓周的時間相等.

用一廢舊自行車車圈，自制一個類似軌道的鋼絲，讓每個鋼絲上套上相同的小環，實驗觀察同時從O點下滑的小環，同時到達圓周（如圖10）.

3 實驗器材制作與3D打印技術整合

早在上世紀50年代，蘇州大學朱正元教授就提出“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”，這一思想現今仍然需要繼承，同時新時代下我們開發實驗器材如果借助3D打印技術，可以使教具的制作更方便，更有質地.

如圖11用3D打印制作的火車車輪模型「2」，把這個模型展示給學生看，使學生對火車運行的輪軌力學原理有了感性的認識，學生對火車轉彎問題不再感到難度那么大了.

圖12是根據3D打印制作的車球擺動模型，這個模型可以比較好地幫助學生理解內力不改變系統運動狀態，對相關問題的討論變得有理有據，說服力強.

4 實驗數據采集與軟件工具整合

最新人民教育出版社物理教材在編寫過程中已經介紹了一些有利于物理教學或實驗的軟件工具，實際教學中利用這些實驗軟件可方便地做出實驗.

案例分析4：在高三教學中有這樣一道題目：如圖13所示，A物體用板托著，位于離地h=1.0m處，輕質細繩通過光滑定滑輪與A、B相連，繩子處于繃直狀態，已知A物體質量M=1.5 kg，B物體質量m=1.0kg，現將板抽走，A將拉動B上升，設A與地面碰后不反彈，B上升過程中不會碰到定滑輪，問：B物體在上升過程中離地的最大高度為多大？取g =10m/s2.

這道題與2008年普通高校招生統一考試全國卷理綜卷一道試題相似，旨在考察學生對系統機械能守恒的理解.但這道題不少同學給出的答案是錯誤的，其中一種最典型的錯誤是：

對A拖著B下落的全過程，對系統運用機械能守恒定律，A的機械能減少等于B的機械能增加，即有：Mgh=mgH，解得：H=1.5m.

當然還有其他錯誤.但這個錯誤，每次測試考到這樣問題，每屆同學都會有類似問題產生，而且多數還是成績相對較好的學生.

在教學中，先引導學生思考：A與地面碰撞的過程中，連接A、B間的繩子是松弛的，那A的動能到哪里去了？通過討論學生能明白A撞地過程，是非彈性碰撞，A的動能應該是轉化為內能.但學生對這個問題的認識并不理解，時間一長學生又回到原來的認知水平上.于是為了使學生對這個問題有感性認識，筆者用實驗室重錘做了一個類似打夯這樣的勞動工具，讓學生課后輪流動手做實驗，在重錘與地面碰撞多次后，用手摸一摸物件與地面，學生會感到震驚，因為確實很燙.

同時借助計算機輔助運用solidwork軟件可以展

示物體與地面撞擊時，物體內部溫度的變化視頻，圖14和圖15是兩幀視頻，代表該物體剛碰地面不久和碰撞將要結束瞬間，通過視頻播放，學生對物體撞擊地面生熱有了更深刻的印象，今后再遇到類似問題時，學生便難以忘懷.

5 結束語

還原物理課的特征本質屬性，讓物理實驗成為物理課上一道亮麗的風景線，不拘泥于教材，不懼權威，大膽先行先試，讓我們的物理課也魅力四射，讓學生永遠想念我們的課堂.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]張飛翔，許鋒.高中物理課外學生實驗的創新研究[J].實驗教學與儀器 ，2018（11）：6-7+12.

（收稿日期：2019-02-23）