博采众长 相得益彰

谢建兴

关键词：DIS实验;传统实验;对比分析;高中物理

牛顿第二定律是高中物理的核心内容，是运动学和力学的桥梁，“验证牛顿第二定律”更是历年高考的高频考点。所以我运用两种实验方法来做该實验，通过对比分析，让我们对DIS实验与传统实验的特点和优势的有所了解，在今后课堂教学中能更好的选用实验方法，提高课堂的效率。

1  采用传统实验方法“验证牛顿第二定律”

1.1  当小车质量M—定时，探究加速度a与合外力F的关系

实验装置如图1。

实验步骤：

①测出所挂重物的重力，安装好实验器材，但不要在小车上系上重物;

②平衡摩擦力;

③挂上重物后先通电再静止释放小车，得到一条纸带并标注牵引力F;

④保持小车质量M不变，改变所挂重物的重力，重复几次实验;

⑤根据纸带上打出的点应用逐差法或图象法求出小车的加速度a。

结论：当物体质量M—定时，物体的加速度a与合外力F成正比，即a∝F。

1.2   当小车所受合外力F一定时，探究加速度a与质量M的关系

实验步骤：

①测出小车质量M，安装好实验器材但不要在小车上系上重物;

②平衡摩擦力;

③挂上重物后先接通电再静止释放小车，得到一条纸带并标注小车质量M;

④保持重物质量不变，通过改变配重片的质量来改变小车的质量，重复几次实验;

⑤根据纸带上打出的点求出小车的加速度，画出a-M图象;

⑥再将得到的数据转换为a-1/M的关系，画出a-1/M图象。

实验结论：保持物体的合外力不变时，加速度a与质量M成反比，即a∝1/M。

整个实验中，最复杂的环节就是速度和加速度的计算，需要了解刻度尺的分度值、使用方法，打点计时器的构造、原理、使用方法等。通过选择合适的纸带，测量出纸带上点与点之间的距离，来计算出速度和加速度的大小。用到数据繁多，计算量大且易出错，而且需要用较长的时间才能完成该实验。但这能充分训练学生的观察能力、正确选择和使用仪器的能力、实验操作的能力、公式推导计算作图等利用数学思维方法来解决物理实际问题的能力。该实验既需要平衡摩擦力，还需要将沙桶的重力近拟当作小车的拉力，为了减小误差这就要求沙桶质量要远小于小车的质量。这两点都需要学生要有较强的误差分析推导能力。

课堂教学反馈：在实验教学过程中，学生需要记录、测量、计算大量数据，用时长，数据处理也有一定难度，且极易出错，有部分同学甚至无法计算出加速度或无法作出图象并找出a与F、M的关系，这严重打击了学生对于实验的积极性。

2  采用DIS实验方法“验证牛顿第二定律”

2.1  当滑块质量M—定时，探究加速度a与合外力F的关系

【实验目的】当滑块质量M—定时，探究加速度与合外力的关系。

【实验原理】根据F=Ma ，保持滑块质量M不变，物体的加速度正比于作用在物体上的合外力。

【实验器材】DISLab软件、光电门2个、计算机、滑块、小盘、气垫导轨、力传感器、学生天平，装置如图2。

【实验步骤】

①安装好实验器材，调节好光电门。测出沙桶的质量m;

②先把数据釆集器、光电门与电脑连接好，打开DISLab软件。调整轨道水平，让滑块静止释放，立即点击菜单栏中“表格”按钮，计算机自动记录滑块经过两个光电门的时间t1、t2和经过两个光电门之间距离所用的时间t12;

③保持滑块质量不变，改变所挂重物的重力，将数据填入表格，重复几次实验;

④在单元格G2中填入=9.8*F2，在单元格H2中填入=（（0.02/C2）-（0.02/B2））/D2，然后用填充柄自动填充生成G列和H列各单元格的值（如表1）;

⑤采用图象法处理数据，点击菜单栏中“组合图线，”设置纵轴为加速度a ，横轴为滑块所受的拉力F，在窗口中可看出数据点是过原点的直线性分布。点击菜单栏中“线性拟合”，得到一条过原点的倾斜直线。

实验结论：物体的加速度正比于作用在物体上的合外力，即a∝F。

2.2  当滑块合外力F一定时，探究加速度a与滑块质量M的关系

【实验目的】当滑块所受合外力F一定时，探究加速度a与质量M的关系

【实验原理】根据F=Ma，保持滑块受到拉力F不变时，加速度a与物体质量M成反比

【实验过程】

①安装好实验器材，调节好光电门。测出沙桶的质量m和滑块质量M;

②先把数据釆集器、光电门与电脑连接好，打开DISLab软件。调整轨道水平，让滑块静止释放，立即点击菜单栏中“表格”按钮，计算机自动记录滑块经过两个光电门的时间t_A、t_B和经过两个光电门之间所用的时间Δt;

③保持沙桶质量不变，改变配重片质量，将滑块与配重片的总质量M填入表格，重复上述实验;

④在单元格G2中填入=1/E2 ，在单元格H2中填入=（（0.02/C2）-（0.02/B2））/D2，然后用填充柄自动填充生成G列和H列各单元格的值（如表2）;

⑤用图象法求加速度，点击菜单栏中“组合图线”纵轴为加速度a，横轴为滑块的质量M，得到a-M图象，可看出数据点分布类似双曲线，故点击菜单栏中“反比拟合”，得到一条双曲线，这也无法确定加速度与质量成反比关系;

⑥我们通过画曲为直的物理方法做出a-1/M图象，横轴为滑块质量的倒数，纵轴为加速度a，得到a-1/M图象，点击菜单栏中“线性拟合”，得到图象是一条经过原点的直线。

结论：当滑块所受合外力一定时，物体的加速度跟物体的质量成反比， 即a∝1/M。

整个实验步骤易操作，数据自动采集，所得数据精度高，数据自动处理自动拟合图象，实时显示，直观明了，可信度高。但整个实验过程过度依赖计算机，削弱了学生对数据的分析、计算、推理、处理图象能力的训练;削弱了学生对误差分析的能力的训练;削弱了学生通过实验过程揭示科学规律的能力。

课堂教学反馈：在实验教学过程中，实验数据采集快且准确，能实时得到图象，学生少了一些计算的训练，更重要的是不用平衡摩擦力，也就不用误差分析。在实验过程有更多的时间来分析计算机根据采集到的数据绘制并拟合出的图象，实验中降低了学生的实验操作能力和误差分析的能力，侧重于让学生探索物理规律与物理量之间的联系，着重培养学生的科学探究能力。但有部分学生看到计算机采集数据后绘制并拟合出的曲线过于完美，而对其真实性表示怀疑。

通过两种方法的对比发现：

DIS实验更有利于创设物理情境，激发兴趣。爱因斯坦说过，“兴趣是最好的老师”，学生只有对物理有兴趣才想学，才能学好[ 1 ]。营造良好的心境，侧重于通过学生学习方式的转变来树立正确的价值观以达到培养学生的科学态度与责任的核心素养;

DIS实验精度高误差小，由此得到物理学规律和定则的严谨性和可信度更高，更注重培养学生的科学本质的核心素养;

DIS实验数据采集快，精度高，易操作，有更多的时间讨论分析，突出学生的主体地位;有利于培养学生独立思考和科学探究能力、拓展知识的能力;而传统实验需要的测量仪器多，有固定的实验步骤，操作时间长，易出错，注重培养学生的实验操作能力，清晰、有序的思维能力及勇于克服困难的坚強的意志品质;

DIS 实验中特有的拟合图象等数形结合功能和函数模拟功能，还有助于培养学生复杂问题的分析能力、处理信息推测答案的能力、构建物理模型的能力、创新能力。着重培养学生的科学思维核心素养;传统实验则很难望其项背。

参考文献：

[1]周明浅.谈在物理教学中激发学生的学习兴趣[J].管理学家，2012（2）：23.