基于DIS實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)

摘 要：“動能和動能定理”是能量規(guī)律中的核心規(guī)律，也是學(xué)生敬而生畏的規(guī)律，見到具體情景無法聯(lián)系到所學(xué)知識.基于此，本文DIS實(shí)驗(yàn)探究建立動能定理，在情景變化中加深對動能定理的理解.

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)探究核心素養(yǎng);動能和動能定理

中圖分類號：G632 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1008-0333（2021）24-0088-03

收稿日期：2021-05-25

作者簡介：韓美（1987.6-），女，江蘇省南京人，碩士，中學(xué)一級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

物理教育的最終目標(biāo)是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng).在高中物理課堂教學(xué)中對于物理概念規(guī)律等的認(rèn)知、理解、掌握、應(yīng)用等每一個環(huán)節(jié)都應(yīng)“內(nèi)化”物理學(xué)科核心素養(yǎng)，這就要求創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究和思維加工，保證物理概念和規(guī)律的內(nèi)化，形成學(xué)科的思想.筆者以“動能和動能定理”為例，提供一種借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探究動能定理的方法.在探究過程中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng).

一、研究緣起

動能定理是高中物理力學(xué)知識中的重要內(nèi)容，也是歷年高考物理的必考內(nèi)容.不少學(xué)生不能真正理解動能定理的內(nèi)涵導(dǎo)致應(yīng)用頻頻出錯.為加深學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解，本文創(chuàng)設(shè)DIS實(shí)驗(yàn)探究情景，讓學(xué)生在情景的帶動下理解、掌握動能定理.

目前得到動能定理的方法更多用牛頓第二定律推導(dǎo)出動能定理的理論探究，但在探究過程中不能理解為什么要計算位移？為什么要求功？整理的公式應(yīng)該向著什么方向整理才能達(dá)到預(yù)期.學(xué)生只是在教師設(shè)置的問題中牽著鼻子整理，最終迷迷糊糊得到動能表達(dá)式，不能充分利用理論探究的過程培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).除了利用理論探究動能定理外，有很多老師用實(shí)驗(yàn)探究法建立動能定理，在實(shí)驗(yàn)探究過程中有人沒給出動能的具體表達(dá)式，有的沒給出動能定理中比例系數(shù)的具體物理含義.本文筆者介紹一種完全實(shí)驗(yàn)探究方式建立動能定理的課堂實(shí)踐嘗試.

二、利用DIS實(shí)驗(yàn)定量探究動能的表達(dá)式

通過前面學(xué)習(xí)學(xué)生已經(jīng)建立起Ek∝v2的關(guān)系，為了定量去研究物體的動能和質(zhì)量的關(guān)系，

通過對生活現(xiàn)象的觀察，請同學(xué)們討論建立猜想Ek∝m，Ek∝m2，Ek∝m等等，類比探究加速度和力與質(zhì)量之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，提供探究Ek與m的關(guān)系實(shí)驗(yàn)方案？但是控制小車經(jīng)過光電門時的速度不變有困難，為此將Ek與物體的質(zhì)量和物體的速度有關(guān)轉(zhuǎn)化為物體的速度與Ek和質(zhì)量有關(guān)，基于上面的綜合分析以及對動能表達(dá)式的定性認(rèn)識，控制W（Ek）不變，則v2和某個關(guān)于m的表達(dá)式一定成反比.轉(zhuǎn)換成探究v2和m表達(dá)式的倒數(shù)是否成正比，則說明Ek正比于質(zhì)量表達(dá)式和速度平方的乘積、確立實(shí)驗(yàn)方案.

【實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)】探究v2∝1m，v2∝1m2，v2∝1m等等

【實(shí)驗(yàn)裝置圖】

問題1：如何控制小車的動能（拉力對小車做的功）不變？

問題2：如何改變小車的質(zhì)量？

問題3：如何獲得小車的速度？

問題4：根據(jù)以上思路，在得出數(shù)據(jù)后，應(yīng)繪制怎樣的圖像？

【實(shí)驗(yàn)步驟】

（1）安裝好導(dǎo)軌、光電門，接好傳輸線.將導(dǎo)軌一端墊高，平衡摩擦.

（2）用力傳感器測量小車、小車配重片、小桶、小桶配重的質(zhì)量并記錄.

（3）選取合適的配重放入小桶中，作為牽引小車的拉力.選取原則為保證小桶及其配重的總重量始終遠(yuǎn)小于小車及其配重的總重量.

（4）在計算機(jī)DIS軟件中制作表格，各列的項(xiàng)分別為：光電門采集的時間t、小車經(jīng)過光電門的速度v（v=xt，x為擋光片的長度）、系統(tǒng)的總質(zhì)量m（由于動能增加的是小桶和小車整體，故此質(zhì)量應(yīng)該包括以上全部質(zhì)量，而不只是小車及其配重的質(zhì)量）、關(guān)于m的一系列表達(dá)式（如1m等，需保證m越大，該表達(dá)式越小，這樣才能符合“m越大，動能越大”的規(guī)律）.

（5）單擊“開始”，在合適位置自由釋放小車（記錄這個位置，并保證每次釋放都在相同位置），小車經(jīng)過光電門后單擊“停止”.不停地改變小車配重片的數(shù)量，重復(fù)5組實(shí)驗(yàn)，獲得5組不同的數(shù)據(jù)，同時計算機(jī)上自動生成相應(yīng)的表達(dá)式結(jié)果.

（6）利用軟件的“繪圖”功能，根據(jù)提示讓學(xué)生繪制不同橫坐標(biāo)的圖，其中縱坐標(biāo)保持不變?yōu)関2.如得到的散點(diǎn)近似可以連成一條直線，則這很可能就是v2與m的關(guān)系，如圖2、3所示.

（7）使用“擬合”中的“線性擬合”，觀察該擬合直線在誤差允許的范圍內(nèi)是否經(jīng)過坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，如圖4所示.

借助DIS定量建立動能表達(dá)式，數(shù)據(jù)計算過程由計算機(jī)代替，把學(xué)生從數(shù)據(jù)計算、描點(diǎn)作圖中解放出來去思考方案的設(shè)計、分析實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)意義，讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)真正的主人，切身體會實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科中概念建立和規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程中的價值和意義，在不斷深入探究中，通過一個個問題的解決，讓學(xué)生深入思考，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).由于DIS實(shí)驗(yàn)器材的精密性、測量的準(zhǔn)確性，在定量建立動能表達(dá)式的過程中呈現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢，是常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材不能獲得的.

三、借助DIS實(shí)驗(yàn)建立并加深對動能定理的理解

新課程標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)建構(gòu)物理模型是高中物理教學(xué)中需著重培養(yǎng)的重要方面，是學(xué)生物理學(xué)習(xí)過程中的重要能力，是從復(fù)雜事實(shí)中抽象核心要素的綜合分析能力.將上面的探究實(shí)驗(yàn)過程抽象出物理模型（如圖5所示）進(jìn)行分析，能加深學(xué)生對物理規(guī)律的認(rèn)識.

一個質(zhì)量為m的物體在光滑水平面上由靜止釋放，受到與運(yùn)動方向相同的水平恒力F作用下發(fā)生一段位移l，速度增加到v，根據(jù)功能關(guān)系，學(xué)生很容易列出功和動能之間的關(guān)系WF=12mv2-0;如果初速度不為零，功和動能之間的關(guān)系變?yōu)閃F=12mv22-12mv21，可用DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，建立動能定理.

為了物理規(guī)律得出的嚴(yán)謹(jǐn)性，需要實(shí)驗(yàn)和理論兩條腿并行前進(jìn)，如果水平面粗糙，此情景下功和動能之間的關(guān)系如何？如果是斜面功和動能的關(guān)系又如何？在理論論證過程中再次驗(yàn)證動能定理的并加深對動能定理的理解.以實(shí)驗(yàn)情景建構(gòu)物理模型，避免理論探究中學(xué)生不明緣由求功和位移的弊端，增強(qiáng)學(xué)生情景意識. ? 四、教學(xué)反思

本文基于學(xué)生的理論推導(dǎo)綜合分析能力不高的前提下，首先通過DIS的實(shí)驗(yàn)探究過程得到動能表達(dá)式，在實(shí)驗(yàn)探究過程中滲透動能定理的理念，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，新型實(shí)驗(yàn)手段大大激發(fā)學(xué)生探究興趣、提高了測量精度和準(zhǔn)確性有利于定量獲得動能的表達(dá)式、節(jié)約課堂時間提高教學(xué)有效性.

DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行操作實(shí)驗(yàn)拓寬了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的思路，提高學(xué)生運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的意識，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)探究能力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究精神，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、持之以恒的科學(xué)態(tài)度.引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對物理學(xué)習(xí)的影響，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注科學(xué)進(jìn)步的社會責(zé)任.基于已知動能定理表達(dá)式和實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)進(jìn)行理論驗(yàn)證，降低了學(xué)生理論探究的思維難度，避免了純理論探究的枯燥乏味，同時滲透理論和實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充的科學(xué)方法.情景中的模型變化，加深對動能定理的理解，鍛煉了學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理的能力.通過實(shí)驗(yàn)探究和理論驗(yàn)證兩種方法建立動能定理，有助于培養(yǎng)學(xué)生對不同方法的批判性思維的養(yǎng)成，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性能力.

動能定理的突出優(yōu)勢應(yīng)該在解決曲線運(yùn)動的問題中，但是鑒于時間不能擴(kuò)展到動能定理是不是適用于曲線運(yùn)動.但是學(xué)生基于動能定理對直線運(yùn)動的研究方法之上，可通過類比、遷移的方法對曲線運(yùn)動中動能定理的探究實(shí)現(xiàn)自我建構(gòu)，是科學(xué)方法在新情景中的再應(yīng)用問題.

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