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基于“DIS”数字化实验系统设计牛顿第二定律理论课程教学的科学思维初探

发表时间：2020/12/11 来源：《教学与研究》2020年12月下作者：李晓英

[导读] 利用分体式位移传感器、力传感器、数据采集器、计算机等DIS数字化实验,突破传统牛顿第二运动定律瞬时加速度测定中出现的步骤烦琐、费力以及不准确等误差。

陕西西安市第四十四中学             李晓英      710000

        【摘要】利用分体式位移传感器力传感器、数据采集器、计算机等DIS数字化实验,突破传统牛顿第二运动定律瞬时加速度测定中出现的步骤烦琐、费力以及不准确等误差。学生已经具备牛顿第二运动定律中力与加速度及力与质量之间的比例关系,基于学习了控制变量法的实验验证，在理论课程，设计测量运动物体的质量问题实验，加以利用巩固提升落实核心素养。让学生学以致用，深刻形象全面理解牛顿第二定律的应用。
       【关键词】牛顿第二定律    “DIS”数字化实验系统   运动物体的质量
          利用计算机和传感器探究牛顿第二定律
牛顿第二定律是联系力学与运动学的桥梁、纽带，是中学物理的核心内容之一。探究牛顿第二定律的实验是中学教学的重要演示实验。但是传统实验中实验原理的不完善使实验存在较大的系统误差，长期以来一直是困扰中学物理教师的一个难题。传统实验中，一般把拉小车或滑块的悬挂物体的重力直接当作拉力。为减小系统误差，所选悬挂物体的质量要远远小于小车或滑块的质量，致使悬挂物的质量可调整范围很小，测量的数据只能集中在一个很小的区域，实验误差相当大，很难从图象看出趋势，总结规律。同时，把悬挂物体的质量乘上,直接当作拉力也存在科学错误。? 以计算机和传感器为基础的数字化仪器设备为解决上述缺陷提供了技术支持。下面我们选用数字化探究实验平台进行实验。? ?????
      （一）?实验器材车装有位移发射器，固定分体式位移接收器。（二）实验组装
       (三)实验过程1.把运动传感器固定在轨道一端，将带无线蓝牙的力传感器固定在小车上，然后把绳的一端固定在传感器的拉钩上直接测量绳子的拉力绳的另一端跨过定滑轮挂一个放砝码的小桶可牵引小车运动?2.用传感器与计算机连接。打开计算机，进入Dis实验系统。

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设置运动,传感器测量量为速度，放开小车，窗口图表中自动得出速度-时间图线和力-时间图线.? ????
      （四）处理数据
        1、选择有效线段，点击“线性拟合”，观察所选区域图线与拟合图线是否重合，并读出力-时间图线的截距或平均值统计即力的大小，速度-时间图线的斜率即小车的加速度。??
        2 、减小桶中砝码的大小，重复以上操作，在Excel表格中记录多组力、加速度值。通过“线性拟合”发现，图线为经过坐标原点的直线，说明加速度与力成正比。??
解决动态质量测定的问题实验结果：用弹簧测力计测得小车的总质量为m=352g由牛顿第二定律计算小车的质量F=0.0485N a=0.136m/s2
此设计解决了牛顿第二定律的传统实验原理不完善的缺陷。用带无线蓝牙的力传感器直接测量拉力大小，原理简洁、直观，精度高，误差控制在3%以内利用计算机分析处理实验数据避免了繁琐、耗时的实验数据处理，使学生有更多的时间用于体验设计实验方案探究实验思想和实施实验过程总之数字实验技术的引入对新课程的教学改革将起到很大的促进作用。1:.弹簧凸轮机构提供恒定拉力2:.光栅测速系统测量出加速度最后,再重温神州五号测量宇航员的质量，过度自然顺畅。
在运用牛顿运动定律处理力和运动的问题中，提出问题，对于静止的物体测量质量用的方法是什么？对于匀变速运动的物体如何解决质量的问题，对于在宇宙飞船中处于完全失重状态下，如何测量质量。就此设计实验，利用DIS数字传感器，分体式位移发射接收器。测量实验数据处理软件小车的加速度以及用近似法得到合力。学生通过计算得到质量。与实际质量对比。感受实验的魅力，强化牛顿第二定律是实验定律，学以致用。观看天宫一号视频，体会物理在科技的利用。
通过例题使学生清楚地理解运用牛顿运动定律解决力学问题的基本思路和方法，并能够按照这一思路和方法解决简单的力学问题，并在解决问题的过程中，培养学生综合地运用知识分析问题、解决问题的能力，促进学生的理解能力、推理能力、分析综合能力、运用数学处理物理问题能力的提高。将原有理论课对牛顿第二定律的应用，转化为应用基础的拓展。开拓学生的认知呢能力，通过应用，总结牛顿第二定律解决实际动态物体质量的测量方法它有利于培养学生的自主意识和合作精神,促进学生的全面发展有利于培养学生对物理的情感,,增强学生学习的自信心和克服困难的意志力；有利于加深学生对所学知识的理解,.掌握解决问题的方法和策略,提高解决问题的能力。
在教学过程中要教给学生如何去学习，体验自主探究的喜悦，学习科学探究的方法，培养科学探究能力，并激发学生学习的兴趣等。这些和教给学生知识同样重要，甚至对某些学生来说，比学习知识更重要，为学生创新精神和实践能力提供了更广阔的思维空间。
【参考文献】
[1] 、《中学物理教学参考》   陕西师范大学出版社 2019（6）；01
[2]、   《中学教学参考》           广西教育学院   2019（9）；01
[3]、   《物理学进展》         中国物理学会主办   2019（11）；01