【正文】 圖 32 Ft 曲線 Fig. 32 Ft curve 31 5 應(yīng)用數(shù)字化實驗平臺優(yōu)化高中物理實驗教學(xué)策略 在新課程改革推進過程中 ， 即將步入中學(xué)課堂的我們需要積 極轉(zhuǎn)變教育觀念 ， 不斷提高自身綜合素質(zhì) ， 抓住應(yīng)用數(shù)字化實驗開展物理教學(xué)的機遇與挑戰(zhàn) 。 誤差分析 ： （ 1） 連接物體和力傳感器的細繩與滑輪間有摩擦 ， 會使測得的力偏小 ； （ 2） 可能繩子的方向與物體運動的趨勢或方向不在一條直線上 ， 使測得的力不準確 有關(guān)摩擦力的教學(xué)實踐中 ， 很多老師設(shè)計了不少定性的實驗 ， 在定量的實驗設(shè)計上顯得有些不足 。 （ 4） 按下電動機反轉(zhuǎn)按鈕 ， 將長木板及滑塊移回原位置 ， 重復(fù)以上步驟 ， 進行多次測量 。 （ 3） 點擊 “ 開始記錄 ” 按鈕 ， 對力傳感器進行調(diào)零 。 圖 31 實驗 裝置 圖 Fig. 31 The experimental setup 30 實驗步驟 ： （ 1） 將物塊置于長木板左端 ， 使與傳感器連接的細繩保持較為松弛的狀態(tài) ， 調(diào)整儀器位置 ， 保證連接長木板與滑塊的細繩處于一條直線上 。 實驗器材 ： 朗威 DISLab、計算 機、滑動摩擦力探究儀等。 實驗原理： 當(dāng)相互接觸 且有擠壓的物體之間有相對運動趨勢或相對運動的時候，則物體間就會有摩擦力。 應(yīng)用譚興文老師指導(dǎo)設(shè)計的如下的數(shù)字化實驗（圖 31），則可以從實驗的角度突破這一難點，從而避免人為的理想化分析。一般而言，是難以從理論 上解釋上面的問題的。 實例 4： 探究最大靜摩擦力與滑動摩擦力間的關(guān)系 雖然人教新課標高中物理必修 1 第三章第 3 節(jié) —— 摩擦力沒有提到最大靜摩擦力與滑動摩擦力間的關(guān)系問題，但在實際教學(xué)的時候，由于這個問題經(jīng)常出現(xiàn)在大量的練習(xí)題中，老師都會主動提及這個問題， 一般基本上是 直接告訴學(xué)生：最大靜摩擦力約大于滑動摩擦力，一般情況下，可以認為最大靜摩擦力大小等于滑動摩擦力大小。這就需要進一步改進配套實驗器材來重新設(shè)計這個實驗。 拓展 在該實驗中，只在螺線管軸線方向上應(yīng)用位移傳感器 來研究其軸線上的磁感應(yīng)強度分布情況，而在垂直于軸線方向上只是定性地說明磁感應(yīng)強度大小基本不隨到中心軸線的距離改變而變。 由于在本實驗中， ，也不是特別大，因此實驗精確度并不是特別高。 電源電壓 ： 電源電壓 ： 電源電壓 ： 其平均值為 %，在精度要求不高的情況下，我們可以認為通電螺線管內(nèi)部（除端口附近）是勻強磁場。要回答這一問題，需要 大致 計算下相對誤差。 如果我們把圖 28 中的圖線進一步放大，我們會發(fā)現(xiàn)比較明顯的鋸齒，如圖 29 所示。 （ 10） 點擊“鎖定”，鎖定當(dāng)前圖線，將電源電壓依次調(diào)為 、 ，重復(fù)步驟 6~9，得到另外兩條圖線（圖 28）。 （ 8） 點擊“組合圖線”，添加“ BS”圖線，將采樣頻率設(shè)置為 “ 50”，打開“計算表格”，點擊開始。 （ 6） 調(diào)整螺線管位置 ， 使其距磁傳感器探管 1cm。 （ 4） 將磁傳感器固定在支架上，調(diào)整其高度，使探管與螺線管 中心 軸線 在同一高度 。 （ 2） 將螺線管安裝在小車上，并將位移傳感器發(fā)射模塊固定在小車上。如在該實驗中再組合運用位移傳感器，則不僅 可以簡化操作，還可以實時觀察螺線管內(nèi)部磁 感應(yīng)強度大小變化情況。 表 8 磁感應(yīng)強度 B 與相對距離 s 數(shù)據(jù)記錄表 （ ） Tab. 8 The Data Record Form of Magic induction and Relative distance() 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 相對距離 s/cm 磁感應(yīng)強度 B/mT 續(xù)表 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 表 7 磁感應(yīng)強度 B 與相對距離 s 數(shù)據(jù)記錄表 （ ） Tab. 7 The Data Record Form of Magic induction and Relative distance() 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 相對距離 s/cm 磁感應(yīng)強度 B/mT 續(xù)表 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 圖 26 螺線管 內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布圖線 Fig. 26 Internal solenoid Magic induction Distribution curve 26 在 該 實驗中，磁傳感器探管與螺線管間的相對距離是通過刻度尺讀出來的，將傳統(tǒng)實驗器材與現(xiàn)代信息技術(shù)進行了融合。將 磁傳感器探管伸入螺線管內(nèi)部，且距離端口的距離大于 cm，在中心軸線附近上下左右移動，發(fā)現(xiàn)磁感應(yīng)強度大小數(shù)值基本不變。 表 6 磁感應(yīng)強度 B 與相對距離 s 數(shù)據(jù)記錄表 （ ） Tab. 6 The Data Record Form of Magic induction and Relative distance() 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 相對距離 s/cm 磁感應(yīng)強度 B/mT 續(xù)表 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 圖 25 螺線管 內(nèi)部磁感應(yīng)強度分布圖線 Fig. 25 Internal solenoid Magic induction Distribution curve 25 （ 7） 點擊 “ 鎖定 ”， 鎖定當(dāng)前圖線 ； 將電源電壓依次調(diào)整為 、 3V，重復(fù)步驟 3~6，得到另外 兩組數(shù)據(jù) （ 表 表 8）及 兩條圖線 （ 圖 26）。 （ 5） 將磁傳感器探管推入螺線管 ， 每次移動 ， 輸入 s 值和 對應(yīng)的磁感應(yīng)強度值 ，如表 6 所示 。 （ 3） 打開 “ 計算表格 ” ， 調(diào)節(jié)磁傳感器探管前沿與螺線管一端相距 1cm，并 將磁傳感器調(diào)零 。 圖 24 實驗 裝置 圖 Fig. 24 The experimental setup 24 實驗操作 ： （ 1） 將 磁傳感器接入數(shù)據(jù)采集器 ，接通采集器電源，使磁傳感器預(yù)熱 4 分鐘。 實驗器材 ： 朗威 DISLab、計算機、螺線管（自己繞制的線圈）、 直尺、 穩(wěn)壓電源、導(dǎo)線、磁傳感器、位移傳感器等。 實驗?zāi)康?： 探究 通電螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強度 大小，并研究其分布規(guī)律。 朗威 DISLab 配套實驗器材中的螺線管的長度 L為 9cm 左右， 半徑 R 約為 ， ，因此不能使用朗威 DISLab 配套實驗器材中的螺線管來研究通電螺線管內(nèi)部是否是勻強磁場 。 在 《 朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室 實驗實例》（第二次修訂版）手冊中有這一實驗 的具體內(nèi)容，但得出的磁感應(yīng)強度分布圖形 不能看出通電螺線管內(nèi)部是勻強磁場。為什么要提到這個問題呢？ 在自主招生 教學(xué)實踐中 ， 發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生對這一結(jié)論的理解并不是很透徹 ，誤認為在通電螺線管兩端內(nèi)部 附近 也是勻強磁場，從而在解決自主招生試題時遇到困難。 在有關(guān)幾種 常見的磁場的實際教學(xué)中 ， 教師一般都會直接講到通電螺線管 內(nèi)部是個勻強磁場 ， 無法使學(xué)生真正信服 。 應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)將磁傳感器運用到中學(xué)物理實驗中，則會開創(chuàng)有關(guān)磁教學(xué)的新局面 。 應(yīng)用力傳感器和光電門這一數(shù)字化實驗器材 ，可以對動量定理的教學(xué)進行全新的構(gòu)思，這 無疑體現(xiàn)了技術(shù)的進步對教學(xué)改進的巨大作用！ 實例 3： 探究 通電螺線管 內(nèi)部 的磁感應(yīng)強度 大小分布規(guī)律 進入到有關(guān)磁的教學(xué)時，學(xué)生普遍感受到這一部分內(nèi)容比較抽象，其原因之一在于難以運用傳統(tǒng)實驗設(shè)備 有效開展實驗，從而 不能 形象 直觀 地展示有關(guān)現(xiàn)象。 誤差分析 ： （ 1） 由于軌道摩擦的存在，小車返回通過光電門時的速度并不是其碰撞結(jié)束后的瞬間速度； （ 2） 由于擋光片寬度較大 ， 通過光電門測出的速度并不是其通過光電門時的瞬時速度 ； （ 3） 在計算過程中有一定程度上的四舍五入 ， 用于計算的數(shù)據(jù)并不是實際數(shù)據(jù) 。m/s) △ p(kgm/s) △p(kg （ 10） 計算三次實驗沖量與動量 變化量的相對誤差，如表 5 所示。 m/s) △ p(kg （ 8） 在“組合圖線”窗口中，用圖線控制功能，將碰撞時的“ Ft”圖線回放，選取有效區(qū)域后，啟用“其他處理”中的“積分”功能，計算出力與時間的積分值，即小車碰撞前后的動量變化，如圖 20 所示。 （ 6） 推動小車通過光電門傳感器 ， 小車然后與力傳感器的測鉤碰撞 ， 經(jīng)反彈后又通過光電門傳感器 ， 則擋光片兩次通過光電門傳 感器的擋光時間 t1記錄在表格中 。 （ 4） 打開教材通用軟件 ， 點擊 “ 組合圖線 ”， 添加 “ 力 時間 ” 圖線 ， 將采樣頻率設(shè)置為 “ 500”。 （ 2） 將光電門傳感器和力傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器的第 2 通道，將光電門傳感器用支架固定在軌道的一側(cè)。 實驗裝置 圖： 如圖 19 所示。比較小車在變力的作用下沖量與動量的變化關(guān)系。 實驗原理 ： 在軌道上，用小車與力傳感器的測鉤碰撞，測出小車碰前和碰后返回通過光電門的時間，計算小車速度的變化，從而得到小車動量的變化。運用數(shù)字化 實驗設(shè)備則可以將傳統(tǒng)的理論推導(dǎo)和新的實驗探究結(jié)合，從而打破這一局限。其次，由于運用傳統(tǒng)實驗設(shè)備不便于測量力作用的時間和力的大小，在傳統(tǒng)實驗器材范疇內(nèi)難以設(shè)計實驗驗證或探究動量定理。 實例 2：動量定理 力和運動的關(guān)系 —— 牛頓第二定律 —— 最初是用動量的概念表示出來的 ， 通過變形處理就可以得到動量定理 ， 人教新課標高中物理選修 35 第十 六 章第 2 節(jié)是這樣引出動量定理的，并沒有從實驗的角度予以驗證或探究。雖然實驗失敗了，但在理論上找到了慣性與質(zhì)量間關(guān)系的依據(jù)，并發(fā)表在全國中文核心期刊 —— 中學(xué)物理教學(xué)探討，且因此文被中學(xué)物理教學(xué)參考雜志社評為優(yōu)秀作者。 在實現(xiàn)這個想法的時候 ， 發(fā)現(xiàn)存在較大困難 ， 得重新制作一套實驗器材 ， 而且要求工藝較高 ，就放棄了從實驗的角度來驗證。 選擇這一實驗的最初想法是打算應(yīng)用數(shù)字化實驗來驗證這樣一個問題 ： 速度相同的不同質(zhì)量的木塊同時制動 ， 它們的滑行距離是一樣遠的 ； 而速度相同的不同質(zhì)量的汽車同時制動 ， 依據(jù)生活經(jīng)驗可知 ： 質(zhì)量大的汽車滑行距離遠 。 牛頓第二定律定量體現(xiàn)了力和運動的關(guān)系 ，在高中物理中居于重要地位。 （ 4） 由 于小車和軌道間的接觸并不是十分穩(wěn)定，導(dǎo)致小車在運動過程中發(fā)射搖擺。 （ 2） 多次實驗過程中，可能導(dǎo)致軌道發(fā)生移動，打破摩擦力平衡狀態(tài)。 （ 4） 實驗結(jié)果： 依據(jù)圖 1圖 18 可知，在誤差允許范圍內(nèi)，加速度與力成正比、與質(zhì)量成反比。 （ 11） 點擊 “ aM 圖像 ” 按鈕 ， 可得到加速度與質(zhì)量關(guān)系圖線 ， 如圖 17 所示。 （ 9） 點擊 “ aF 圖像 ”按鈕，即得到加速度與拉力關(guān)系圖線，如圖 16 所示 。 圖 14 平衡 摩擦力 Fig. 14 Balance friction 圖 15 研究區(qū)域內(nèi) vt 圖像對應(yīng)的加速度 Fig. 15 The Vt image within study area Corresponding to the acceleration 18 （ 7） 軟件窗口下方的表格中自動顯示該段 vt 圖線對應(yīng)的加速度，如圖 15 所示。 待小車停止運動 ， 點擊 “ 停止記錄 ”。 （ 4） 在窗口下方的表格內(nèi)輸入小車的質(zhì)量及拉力數(shù)值 。但加速度接近零時，可以認為小車重力沿斜面的力已與小車和軌道之間的摩擦力平衡，見圖 14。 實驗操作： （ 1） 將位移 傳感器接收模塊固定在軌道的一端，連接到數(shù)據(jù)采集器第 1 通道；將位移傳感器發(fā)射模塊固定到小車上。 實驗器材： 朗威 DISLab 數(shù)據(jù)采集器、位移傳感器、 DISLab 配套力學(xué)軌道、 DISLab 配套 力學(xué)小車、支架、計算機 、天平 等。 實驗?zāi)康?： 探究 加速度與力 、 質(zhì)量的關(guān)系 。如用打點計時器等傳統(tǒng)實驗設(shè)備來探究 ，則會花費大量的時間和精力處理數(shù)據(jù)以計算出小車的加速度，特別是尋找加速度與質(zhì)量間關(guān)系時，難以將學(xué)生積極的思維活動用于探求加速度與力、質(zhì)量間的關(guān)系 。 應(yīng)用數(shù)字化實驗平臺，可以 有效突破實驗教學(xué)難點，開創(chuàng)物理 實驗教學(xué)新天地，激發(fā)學(xué)生參與實驗的興趣，提高實驗教學(xué)直觀性、趣味性和形象性，使學(xué)生學(xué)得活、用得好、記得牢，同時又增強學(xué)生的實踐體驗、積累 實踐性知識