从DIS实验的改进与拓展 提高学生物理学科核心素养——以牛顿第二定律为例

郭强友 倪敏 杨阳 杜晓贺

(上海师范大学数理学院 上海 200234)

核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力.物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”4个方面[1].

物理学是基于观察与实验的一门学科，归根到底都必须通过实验手段进行最后的验证.在高中阶段物理实验的教和学都是极其重要的一部分.物理事实的表述、物理观念中的物理规律探索和物理概念的建立以及物理问题的解决都离不开实验.布鲁纳通过心理学实验得出，人们可以记住大约10%听到的东西，大约30%读到的东西，但是却能记住大约 80%看到的东西.由此可见结合新课程标准的理念，通过物理实验教学来提高学生的物理学科核心素养是具有重要意义的.那么如何通过物理实验教学提高学生的核心素养，是我们每一位物理教育工作者都应该思考的问题.本文将以沪教版中“牛顿第二定律”DIS实验的改进和拓展为例，探索通过实验教学提高学生核心素养的有效方法.

1 根据新课程标准制定实验教学目标

“通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系.理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题.通过实验认识超重和失重现象.”在新的课程标准中用了短短两句话总结了有关牛顿定律的相关学习任务.教师还需要结合教材仔细研读课标，进一步理解物理核心素养的相关内涵，并结合物理核心素养的4个方面制定相关的教学目标.以下部分笔者将结合物理核心素养的4个方面，对牛顿第二定律的DIS实验做浅显的分析.

1.1 物理观念

“牛顿第二定律”的内容是：物体加速度的大小a与物体所受的合外力F成正比，与物体的质量M成反比[2].是3个物理量关系的定量分析，公式是

(1)

1.2 科学思维

1.3 科学探究

科学探究的过程即在原实验的基础之上发现新的问题，并设计实验，探究解决问题的方法，在实验过程中，思考能否对本实验做相应的拓展.在验证牛顿第二定律的实验中，摩擦力是一个影响较大的因素.在实验过程中让学生思考摩擦力是如何影响实验的正确结论的，并思考讨论减小摩擦力对实验的影响的方法有哪些？同时可以引导学生将该实验进行拓展.比如能否利用本实验器材测量轨道的摩擦系数等.

1.4 科学态度与责任

在实验过程中让学生认识到牛顿第二定律的本质与其在科学、技术中的相关应用.通过改进实验减小误差，培养学生严谨认真、实事求是和探索创新的科学态度.但由于实验的误差不能完全消除，所得到的结论仍然带有猜想和推断的性质.只有根据这些结论推导出的新结果都与事实一致，这样的“结论”才能成为定律.让学生知道科学家前辈在根据有限的实验事实得出结论时，既需要谨慎的科学态度，也需要有相信自己的勇气.

2 基于物理学科核心素养的实验改进

对实验进行改进与拓展首先需要从理论上分析实验，先从理论上找到可能产生误差的原因，以及当前的牛顿第二定律DIS实验教学的弊端.

2.1 现行“牛顿第二定律实验”教学的弊端

在本实验中产生实验误差的原因有很多，本次改进分别从摩擦力、钩码质量m与小车的质量M的比值大小选取范围两方面寻求改进方法．要达到顺利完成实验测量的目的，实验过程中，实验操作必须规范．本实验主要的注意事项有：

(1)实验中要保证力学轨道足够光滑且水平放置.

(2)要调整定滑轮的高度，使拉小车的细线与力学轨道平行.

(3)用运动传感器测量时，不要超出其测量范围，进行图线拟合时，由于靠近定滑轮端有强磁铁作用，不要选取靠近此端的实验数据进行拟合分析．

(4)悬挂钩码的重力不要太大[3].

【例题】保持小车质量不变，改变砂和砂桶重量，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F图线如图1所示，该图线不通过原点，明显超出偶然误差范围，其主要原因是________.

图1 a-F图像

调查发现很多学生能够正确填写出答案：其主要原因是小车与轨道之间存在摩擦力.但是在询问学生为什么小车与轨道之间存在的摩擦力会使图像不通过原点时，学生的回答大多数都是说老师上课就是这样讲的.这种靠死记硬背让学生掌握知识的方法已经成为现阶段我国高中物理教学的惯用方法.这样的教育模式使得学生只会做题，但是对结论的来源一无所知，这是违背新课程改革的理念的.

2.2 牛顿第二定律误差的理论分析

对该实验中出现的误差，教师不应该置之不理，应该基于这个事实证据引导学生得出不同的观点和结论.最后从两个方面分析:

(1)近似地认为导轨与小车之间的摩擦力被完全平衡；

(2)近似地认为小车受到的拉力就是回形针的重力.

下面对这两个近似条件做详细分析.

对近似条件(1)进行分析，要减小导轨与小车之间的摩擦力，我们可以采用气垫导轨.但是，气垫导轨在中学物理实验教学中并没有普及，而且使用气垫导轨会降低实验的难度，不利于提高学生的实验操作技能.因此，本实验仍选择使用力学导轨.采用增大斜轨倾角的方法来平衡摩擦力，这样就可以利用小车的重力沿斜面的分力来平衡摩擦力.

受力分析如图2所示，当小车做匀速直线运动时，Gx=f，平衡了摩擦力.实验结论：当斜面倾角为0.191°时，小车通过两次光电门的时间最接近，并且由位移传感器测量出来的加速度最接近于零.

图2 受力分析图

对近似条件(2)进行分析，在实际实验操作中，拉力不仅作用在小车上，还作用在滑轮与小车的车轮上，而滑轮与车轮存在转动惯量，实验中不应该忽略.

实验装置示意图如图3所示.

图3 牛顿第二定律实验装置图

将小车、小车的车轮、滑轮与钩码(实验过程中用回形针代替)等物体构成的系统看成一个整体[4]，由牛顿第二定律可得到

(2)

其中，M与m分别是小车和回形针的质量，f是小车受到的摩擦力，I与I′分别是滑轮与车轮的转动惯量，r与r′分别是滑轮与车轮的半径，β与β′是滑轮与车轮的角加速度.

合外力的理论修正值是

(3)

当实验中平衡摩擦力、使用轻质滑轮和小车时，式(3)可以变为

(4)

从式(4)可以看出，当回形针的质量远小于小车质量时，小车所受的合外力可以用回形针的重力替代.因此，选择合适质量的回形针来产生合外力，可以减小误差.

2.3 基于理论分析改进实验

表1 加速度理论值a0与实际值a的比较

续表1

综合上面的分析，让学生根据事实证据与科学推理提出验证牛顿第二定律实验有效控制误差的方法并进行实验准备：

(1)摩擦力的平衡.在轨道的15.5 cm处垫上高为0.52 cm的A4纸.

(3)使用光电门传感器测量小车的加速度，挡光片宽度0.02 m，然后采用控制变量法验证牛顿第二定律实验.

根据改进后再次进行实验，下面是实验的数据处理与结论.

当拉力F0=0.097 4 N不变时，可得表2数据与图4.

表2 合外力不变，加速度数据处理表

图4 改进实验后的图像

当小车质量M=342.8 g不变时，可得表3数据与图5.

表3 小车质量不变，加速度数据处理表

图5 改进实验后的a-F图像

改进后的实验误差明显变小，让学生思考减小误差的方法并且师生共同经过实验得出结论，让学生对实验进行改进，多次经历科学探究的过程，提高了学生的科学探究能力.

3 发散思维拓展实验

为培养学生的批判性思维意识，可以让学生从不同角度思考问题，培养科学探究意识，增强学生学习和研究物理的好奇心.在验证牛顿第二定律的实验中，摩擦力是一个影响较大的因素.结合DIS实验，可以将本实验进行拓展——测量车轮与轨道之间的滚动摩擦因数.本文将介绍通过牵引法来测量小车与轨道之间的滚动摩擦因数的实验过程[5].本次实验的拓展可以培养学生基于牛顿第二定律相关实验进行科学推理，培养创造性见解的能力与品格.

实验装置图如图6所示[6].

图6 测滚动摩擦因数实验装置图

根据之前的理论推导，对于整个系统，由牛顿第二定律有

mg-f=(M+m)a

(5)

由滚动与滑动摩擦力的计算公式

f=μMg

将上述摩擦力代入式(5)，并化简得到

(6)

化简得到y=x-μg

(7)

只要得到截距b，就可以算出

实验选取质量为130.6 g的小车与不同质量的回形针进行实验，经数据处理得到表4，并作出图7，得到

表4 牵引法测滚动摩擦因数数据

图7 牵引法的y与x关系图

由上述分析得：牵引法通过直线拟合处理数据，测量的结果较为准确，但是，此方法需要变形到一次函数的一般形式，对数学要求较高，因此，此方法不适合中学的实验教学.但是在教学中可以给学生提出，让感兴趣的学生可以自己去探究和验证，让学生深度理解牛顿第二定律相关原理的同时，熟练运用DIS相关实验器材和软件.

4 总结

DIS实验使学生从复杂繁琐的传统实验中解放出来，让学生关注物理的本质.在验证牛顿第二定律的实验中，平衡摩擦力与选择合适的拉力是本实验成功的关键.通过以上的实验改进，得到较好的实验条件，而正确选择拉力的大小应当由教师在课下进行测量与准备.完善本实验可以让学生更加容易理解与掌握牛顿第二定律.引导学生运用控制变量法研究拉力、质量、加速度3个物理量之间的关系，学会分析和处理实验数据的方法，提高科学探究能力，充分达到实验教学的目的，让学生形成物理观念，拓展物理思维，学会科学探究，树立科学态度与责任.