自制數字化教具,賦能創新型課堂
——以“力傳感器式凹凸橋演示器”為例

戎 杰 胡科杰 葉 春

(浙江省慈溪中學,浙江 寧波 315300)

黨的二十大對“著力造就拔尖創新人才”提出了更高的要求,創新人才的培育離不開創新思維的發展.創新思維是指從全新的角度看待問題,以新穎的方法解決問題,產生積極的、有社會意義的思維成果.而高中物理教學的重要任務即通過創新型課程的開展,發展高階創新思維,提升必備核心素養.

“超重和失重”問題是普通高中物理課程《必修第2冊》第6章第4節“生活中的圓周運動”中的教學重點,教師往往通過研究生活中的典型情境：汽車過凹凸橋問題,分析汽車過凹橋最低點及凸橋最高點時的超失重狀態,從而引導學生加深對豎直面內圓周運動規律的認識,提高圓周運動模型建構的能力.那么,如何直觀呈現汽車在凹橋最低點(凸橋最高點)所受重力和支持力的大小關系,進而完成定量探究過程,這是留給物理教師的工作.

1 數字秤式凹凸橋演示器

筆者查閱了現在大多數實驗室使用較多的“凹凸橋演示器”,實驗裝置如圖1所示.

圖1 數字秤式凹凸橋演示器

實驗裝置：數字秤、凹凸橋軌道、電磁鐵、鋼球、接收盒等幾部分組成.

實驗原理：電磁鐵接通電源,吸附鋼球靜止于軌道最高點,整個裝置處于靜止狀態,測出凹凸橋軌道和鋼球的總重力G1;電磁鐵斷開電源失磁,鋼球從軌道最高點滾下,依次通過凹橋最低點和凸橋最高點;用數字秤測出鋼球通過凹橋最低點和凸橋最高點的壓力分別為G2、G3.通過比較G2和G1、G3和G1的大小關系,確定鋼球在凹橋最低點和凸橋最高點的超(失)重狀態.

此裝置的優點如下.

(1) 鋼球在靜止時、凹橋最低點、凸橋最高點的壓力大小都可用數字秤直觀顯示,超(失)重判斷理論依據充分.

(2) 電磁鐵通電后產生磁力吸附作用,可確保鋼球每次在軌道上的運動過程完全相同(初位置相同、初速度均為0),運動到凹橋最低點、凸橋最高點的速度、壓力也完全相同.

然而筆者在實驗操作中發現,上述裝置可操作性不強.鋼球完成整個運動過程的時間極短,數字秤的指針快速晃動,很難在某一次運動中精確測定鋼球在凸橋最高點、凹橋最低點對軌道的壓力,尤其是鋼球在凸橋最高點對軌道的壓力小于重力的現象十分不明顯.

2 力傳感器式凹凸橋演示器

基于此,筆者對上述裝置做了改進與創新,利用朗威力傳感器測量鋼球對凹凸橋的壓力大小,如圖2所示.

圖2 力傳感器式凹凸橋演示器

2.1 實驗器材

傾斜軌道、鋼球、平橋、凹橋、凸橋、豎直鐵板、附有強磁鐵的光電門、升降臺、朗威力傳感器、接收盒、朗威DISlab 8.1軟件.

2.2 實驗裝置(如圖3所示)

圖3 裝置示意圖

2.3 實驗原理

把數字秤改為朗威力傳感器,固定在凹凸橋下端,利用力傳感器精確測量鋼球對平橋、凹橋最低點、凸橋最高點的壓力大小.傳感器下端固定在升降臺上(可以調節豎直高度),通過調節升降臺高度,使左右兩部分軌道平滑拼接在一起,鋼球的運動從而可看成一個完整的運動.光電門放置在橋的上方,當鋼球經過光電門時,測量擋光時間t,橋的后側豎直放置一塊鐵板,光電門側面安裝強磁鐵,可以配合凹凸橋及升降臺的高度,靈活固定在豎直鐵板上的任意位置.通過測量鋼球對3種橋的壓力大小F,明確超(失)重規律;通過測量鋼球通過3種橋時的擋光時間t(可反映瞬時速度v的大小關系),進一步比較壓力與速度大小的關系.

2.4 實驗步驟

(1) 把平橋力傳感器固定在升降臺橫桿上,調節升降臺的高度,使平橋和左側軌道緊密銜接.在軌道后側豎直放置鐵板,在上方合適位置固定光電門,使光電門的信號發射孔對準鋼球滾過該位置的球心高度.

(2) 將鋼球放在平橋上,讀出鋼球靜止時力傳感器的示數F0,即鋼球的重力大小G.

(3) 使小球從傾斜軌道某一高度靜止釋放,獲得一定速度,測量鋼球通過平橋時光電門的擋光時間t1,力傳感器的示數F1,即鋼球對平橋的壓力大小.比較F1與G的大小關系,確定鋼球在平橋運動的超(失)重狀態.

(4) 把平橋換為凹橋,用同樣的方法測量鋼球通過凹橋最低點時光電門的擋光時間t2,力傳感器的示數F2,即鋼球對凹橋最低點的壓力大小.比較F2與G的大小關系,確定鋼球在凹橋最低點的超(失)重狀態(如圖4所示).

(5) 把凹橋換為凸橋,用同樣的方法測量鋼球通過凸橋最高點時光電門的擋光時間t3,力傳感器的示數F3,即鋼球對凸橋最高點的壓力大小.比較F3與G的大小關系,確定鋼球在凸橋最高點的超(失)重狀態(如圖5所示).

圖4 凹橋最低點的壓力和擋光時間

圖5 凸橋最高點的壓力和擋光時間

(6) 在鋼球直徑確定的情況下,比較擋光時間t1、t2、t3,得知通過光電門的瞬時速度v1、v2、v3大小關系(擋光時間越長,瞬時速度越小),結合F1、F2、F3大小關系,最終確定通過不同橋時壓力和瞬時速度的大小關系.

2.5 實驗數據(如表1所示)

表1

2.6 實驗結論

(1) 在平橋實驗中,測得F1=F0=0.69 N,說明鋼球通過平橋時,既不超重也不失重,且壓力大小始終等于重力大小,與擋光時間無關.

(2) 在凹橋實驗中,測得鋼球兩次通過凹橋最低點時的壓力F2分別為1.45 N和1.58 N,均大于鋼球重力,說明鋼球處于超重狀態.此外,擋光時間越短,瞬時速度越大,壓力越大.

(3) 在凸橋實驗中,測得鋼球兩次通過凸橋最高點時的壓力F3分別為0.53 N和0.34 N,均小于鋼球重力,說明鋼球處于失重狀態.此外,擋光時間越長,瞬時速度越小,壓力越大.

3 結語

本套力傳感器式凹凸橋演示器利用數字化軟件強大的數據采集和處理能力,有效突破教學難點,解決了數字秤式凹凸橋演示器鋼球運動過程時間短、指針晃動劇烈、壓力大小難以精確測量的弊端,將其應用于課堂教學之中,既能激發學生物理學習興趣,又能開闊學生視野、發展創新思維、提升核心素養.