基于學科核心素養培養的“胡克定律”實驗教學改進

趙明慧 楊曉梅

摘 ? 要：利用力傳感器、分體式位移傳感器、DISLab中的通用軟件自組裝測試彈簧勁度系數裝置，實現彈簧的橫向放置、真正測量“彈簧彈力與其形變量”的關系，連續采集數據并利用EXCEL擬合F—X圖像，進行線性相關性分析，得出相關系數|R|>0.99。對比傳統實驗，線性相關性提高了5％，更加精確得出的結論。通過對胡克定律實驗教學改進，以期通過中學物理實驗教學改進，為提高學生核心素養提供新的思路和方法。

關鍵詞：核心素養；傳感器；“胡克定律”實驗教學改進

胡克定律作為“力學”中的重要組成、且課標要求為高中生必做實驗[ 1 ]，學好此節至關重要，傳統“胡克定律”實驗彈簧豎直放置，彈簧懸掛鉤碼難穩定，不易觀察，且采用刻度尺、砝碼，人工觀察記錄，導致實驗精度低、誤差大、缺乏樂趣；而加入傳感器并將數據進行圖像擬合組成的自組測試彈簧勁度系數裝置可實現彈簧橫向放置、以及數據的穩定且連續采集、提高實驗精度與趣味性等，因此改進后的實驗裝置更符合該節實驗教學要求，不僅更精確地得出胡克定律，且增加公式推導串、并聯組合彈簧勁度系數進行拓展延伸，鍛煉學生數學和計算思維，教學過程突出學生的主體地位，促進學生物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任協同發展。

1 ?物理學科核心素養（圖1）

物理學科素養為物理教學提供指導，新課教學前利用已有物理觀念，在科學思維的指導下進行科學探究活動，科學探究反過來促進科學思維能力發展，科學態度與責任貫穿其中，最終形成新的物理觀念，進一步加強科學態度與社會責任，四項目標相互融合、促進學生核心素養得以綜合發展。

2 ?教學目標與教學流程對應圖（圖2）

3 “胡克定律”實驗教學改進

3.1 ?創設情境，引入新知——認識到彈簧彈力與其形變量有關

“胡克定律”是“彈力”第二課時，在學此部分前，已了解彈力的概念、方向及二力平衡等知識。為引入本節內容，采用學生親自進行“拉彈簧”以及“壓彈簧”的游戲（圖3），感知彈簧彈力與其形變量之間存在關系，并猜想得出“在彈簧彈性限度內，彈簧的形變量越大，其所受彈力越大”。

3.2 ?合作學習，探究新知——“傳統胡克定律實驗”

要求：根據教材內容以及教師提供的實驗器材，組內合作，經歷探究過程。

實驗儀器：鐵架臺、彈簧（原長L0=2.60 cm）、刻度尺、50 g的鉤碼若干。

實驗步驟：

（1）合作交流、組裝實驗儀器，如圖4、圖5；

（2）結合教材，進行實驗，待彈簧下的指針靜止后記錄數據，如表1；

（3）將得到的（Fn，Xn）數據描點連線繪出“F—X圖”如圖6。

數據分析：將數據擬合為F=0.1615X-0.0451且R2= 0.89，由于|R|<0.95，得出彈力F與形變量X的線性相關性較弱。

目的：由“傳統胡克定律實驗”進行推理，提出質疑、發現此實驗人為記錄操作，實驗精度低、誤差太大、可重復性差、趣味性低等問題，為接下來利用實驗改進創新做鋪墊。

3.3 ?利用DISLab儀器，提高實驗精度

要求：了解各儀器的使用方法；在教師指導下，會連接實驗儀器；知道如何收集數據并使用軟件處理數據、繪“F—X圖”。

儀器（表2）：

注意：

（1）選用輕質彈簧，橫向放置時才能不因自重而發生明顯彎曲；

（2）力傳感器、彈簧、小車三者重心及細線在同一水平線；

（3）因力傳感器與彈簧及彈簧與小車連接處為弧形鉤，由于拉動時兩弧形鉤會存在小范圍的相對滑動才到最佳結合點，為防止滑動需用膠槍將兩結合點固定；

（4）在彈簧的彈性限度內實驗。

實驗步驟：

（1）按照圖7、圖8所示連接實驗儀器；

（2）實驗前，將力傳感器、位移傳感器連接數據采集器后接入電腦、調零，打開通用軟件。

方式一：①選中“組合圖線1”，左擊“添加”鍵，將橫縱坐標分別調為位移X（單位：cm）和彈力F（單位：N）（此彈簧原長L0=2.60 cm）；

（3）啟動轉軸，此時彈簧被連接的小車勻速拖動，力傳感器和分體式位移傳感器示數均勻增加。

方式一：②點擊通用軟件中的采集啟動按鈕，數據采集后，自動繪制成“F—X圖”（圖9），對實際數據圖進行“y=kx+b”擬合（圖10），在誤差允許范圍內分析得出胡克定律：在彈性限度內，彈簧彈力與其形變量成正比，即：F=kx。

方式二：選擇“通用軟件”中的計算表格，啟動“自動記錄”，每隔0.1s便記錄一次數據，得到F與X的大量數據（數據見表3），利用EXCEL擬合成F-X圖像，如圖11。

數據分析：由于實驗系統中拉動彈簧的小車與軌道存在微小摩擦，使圖像并非嚴格的正比例函數圖像。但通過對采集的數據進行分析得到函數F=0.127X+0.0241，K=12.7N/m且R2= 0.9977，由于|R|>0.99，因此彈力F與形變量X之間的線性相關性強；在誤差允許范圍內，可較精確的得出“在彈簧彈性限度內，彈簧彈力與其形變量成正比”，即胡克定律公式F=KX。

目的：經歷發現問題并提出問題的過程，提高質疑創新能力，將DISLab相關的實驗儀器引入胡克定律的實驗改進，小組合作進行實驗、通過科學的推理論證收集證據獲得實驗數據，經歷更加科學有趣的實驗探究過程[ 2 ]，對數據進行分析處理，更加清晰直觀的形成物理觀念——在誤差范圍內“彈簧彈力與其形變量成正比”。

3.4 ?歸納總結，布置作業

要求：除做完相關練習題外，各小組搜集胡克定律發展史，了解我國航天器的制造在材料的選擇時的重要參數——比剛度=E/ρ（E材料的彈性模量，ρ為材料的比重），進行分享。

目的：查漏補缺、學以致用，通過胡克定律發展史了解其發展進步過程、學習科學家實事求是及堅韌不拔的精神；并且結合課程思政元素了解航天材料中比剛度，增加學生今后在物理及科技創新方面的熱情以及社會責任感與愛國熱情。

4 ?總結

通過對“傳統胡克定律”的實驗改進，學生在科學思維的引領下經歷完整實驗探究過程，改進后的實驗相較于原來而言使用先進的傳感器，更增加了學生的探究熱情及主觀能動性，實驗測量誤差小、精度高、可實現連續采集、方便快捷，更精確的得到胡克定律公式。在傳統實驗基礎上增加數字化技術并進行拓展延伸，學習一步步深入，且增加學生的科技探究熱情以及社會責任等，核心素養得以提高。也期望通過對“胡克定律”實驗的對比研究，為今后的物理實驗教學提供新的思路方法。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

［2］ 馬英.“彈力”課堂實驗教學觀察報告[J].物理通報，2018（7）：28-30.