优化《探究“加速度与质量、力的关系”》的实验设计

中学生作文

优化《探究“加速度与质量、力的关系”》的实验设计
[内容摘要]：本文以实验<<探究“加速度与质量、力的关系”>>为例，分析传统实验设计中的不足，在此基础上引入DISLab设备，通过改进实验装置来优化实验方案。笔者认为，DISLab有它的优势，但同时也有它的局限，因此教师要合理利用DISLab，扬长避短。提倡以传统实验为基础，以数字化设备为辅助，优化DISlab在实验设计中的运用。
[关键词]：DISLab    实验设计  　优化运用
物理实验教学的前提是实验设计，这是开展实验教学的关键。能否设计出合理的实验方案，在物理教学中具有举足轻重的意义。实验设计的好坏关系到实验的可行性、精确性，甚至关系到物理教学的效果，因此实验设计在物理教学中有重要的地位。
所谓实验设计，就是依据实验目的、原理来确定实验步骤，选择适当的实验仪器，因此新型设备的选择和运用是至关重要的。国家教育部曾提出，要“重视将信息技术应用到物理实验室，加快物理实验软件的开发与应用，诸如通过计算机实时测量处理实验数据、分析实验结果等”。在这样的背景之下，中小学数字化实验系统研发中心开发了计算机和传感器结合的数字化信息系统实验室，即“DISLab”。DISLab实验的教育功能很好的反映了新课程改革的理念,为进一步配合和推动中小学理科新课程的改革进程，早在2006年7月，教育部发布的《中小学理科实验室装备规范》中就首次将“计算机数据采集系统”列入仪器装备标准中。这几年来，有条件的中小学已经开始对本校的理科实验室进行了改造，纷纷建立了数字化信息系统理科实验室。DISLab的成立，为我们物理教学的实验设计提供了有力的条件。
一．DISLab的介绍
数字信息系统实验室(Digital Information System Laboratory，简称DIS)是由“传感器＋数据采集器＋实验软件包＋计算机”构成的新型实验系统。
1.传感器——接受信号
传感器能接受外界信号并能把他们转换为电信号，随后再传输到数据采集器。传感器种类很多，可以测量多种变量。在物理实验中常用的有力学传感器、位移传感器等。
2.数据采集器——转换信号
数据采集器是连接传感器和计算机的桥梁，是整个系统的核心部件，其主要功能是将传感器采集的电信号转换为数字信号，然后再将这些数字信号传输到计算机。
3.计算机——处理信号
应用在DISLab计算机系统要求并不高，市场上的一般配置即可满足实验需要。
4.应用软件——呈现信息
DISLab软件系统包含了教学所需的数据收集分析软件，它运行于Windows环境下，可支持几十种传感器，数据分析功能强大，如曲线图，数据表，统计，数据转换，曲线拟合等。通过应用软件的数据处理，可以得到直观、准确的图表以及其他呈现形式。
二．DISLab在实验设计中的运用
DISlab以传感器和计算机为基础，结合传统的实验仪器，将实验数据采集之后用计算机进行分析处理，通过数据图表和图象展示现象、揭示规律。怎样在实验设计中使用 DISlab、传统实验与数字化实验的关系一直困扰着我们。现代信息技术进入课堂，给教师带了机遇和挑战，为了适应这种变化教师必须再学习，必须接受新仪器，新手段。其实DISLab的使用并不是花架子，它的使用丰富了传统实验，在科学的基础上使实验有所发展，同时又开阔了学生的视野和思路，是现代化实验室重要的教育装备。但作为新生事物，DISLab在实验领域的运用却并不完善，很多教师盲目追新，忽略了DISLab本身的局限和不足，结果适得其反，不利于教学目标的达成。其实一个新生事物的发展总是需要过程的，同样的道理，DISLab在实验中的运用也该逐步完善。因此如何合理地运用它从事物理教学、优化实验设计，依然是非常值得探讨的问题。
    笔者以实验<<探究“加速度与质量、力的关系”>>为例，在具体设计中引入DISlab设备，分析传统实验设计的不足，在此基础上改进实验装置，从多个角度入手，对原有实验进行拓展，优化实验方案。
一.探究目的：探究加速度与质量、力的关系
二.探究方法：控制变量法
(一)保证小车的质量 不变,探究 与 之间的关系
(二)保证合外力 不变,探究 与 之间的关系
三．实验装置：传统实验——木板、小车模型
(一)实验仪器：木板、小车、打点计时器、纸带、
              钩码

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(二)探究方案：
1.保持小车 不变，改变钩码来控制小车所受的 ，利用纸带计算 ，最终借助图象探究 与 之间的定量关系。
2.保持钩码质量不变（即 不变），改变小车的 （在小车上加钩码），利用纸带计算 ，最终借助图象探究 与 之间的定量关系。
(三)设计评价：
传统实验能够定量的得到 与 、 之间的关系，但实验流程复杂，误差较大，在具体设计中主要有以下几点不足:
①        计算、作图过程繁琐，精确度不高。
传统实验中，利用纸带的信息来计算加速度，通常采用逐差法:



匀变速直线运动，通过连续相同的时间间隔，对应的位移差是一个常量
由于题目中已知六组数据，可以将纸带前后对称地分为两段：
根据推论得：    同理：        
以上三式联立：   因此：        
取平均： = =
因此通过测量、计算，我们才能得到加速度 ，但测量存在的误差是不可避免的。
之后我们再借助图像,研究 与 以及 与 之间的关系。在作图时我们采用描点法,然后观察大部分的点的走向,如果走向是一条过原点的直线,那么两个量就是成正比的关系，此时必须用线性拟合的方式来画图，尽量让大部分点在一条直线上，误差点要尽量分布在直线的两侧，这样可以平均误差，使误差尽量减小。由此可见，手工作图往往过程复杂，而且费时费力，此外作图的偶然误差也是不小的。
②        平衡摩擦力时，很难准确调节木板的倾角。
在传统实验中，摩擦力有两个来源：小车和木板之间的摩擦，纸带和打点计时器之间也有摩擦。为了平衡摩擦力，我们要将木板倾斜一定的角度，让重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡。
     得到：   
由此可见平衡角 由动摩擦因素 来决定，而 的大小只与两个接触面之间的材料和粗糙程度相关。因此在实验中， 只需调节一次即可。但事实上，这个平衡角很难调节，不少学生就地取材，随意地用钩码盒将木板垫高，因此实验的系统误差是比较大的。
③        近似认为小车受到的拉力等于钩码的重力。
平衡摩擦力之后，在小车上挂上钩码（钩码的质量计为 ），之后在拉力的作用下，两者一起做加速运动，加速度的大小记为
对小车受力分析，小车所受的合力即绳子的拉力T
根据牛顿第二定律： -----------------------------------------（1）
对钩码受力分析，钩码所受的合力方向向下
根据牛顿第二定律： -------------------------------------（2）        
以上两式相加：           得：
代入（1）式得：         整理得： ---------（3）
对（3）式进行讨论：
当 时 ，那么此时
因此在实验中，我们认为小车受到的拉力近似等于钩码的重力，但实际上两者并不相等，所以说系统误差是不可避免的。
(四)方案改进
考虑到传统实验的多处不足，笔者对实验设计作出了如下改进：
1.设计不足①
    鉴于不足①，笔者引入DISlab设备，替代打点计时器。该设备可将数据处理、作图变得简单精确，减少数据处理的时间，使学生有更多的机会进行探究性学习。
改进方案〈1〉：DISlab实验——位移传感器模型
（1）实验仪器：位移传感器、数据采集器、倾斜轨道、小车和钩码

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（2）数据分析：
位移传感器测 : 数据采集器将位移传感器接收到的数据传入计算机，计算机数据处理后，直接得到小车运动的v-t图，根据图像求出
（3）学情对比：
在传统实验教学中，笔者总感觉探究性学习难以充分进行。而DISLab设备的引入，一方面为探究学习提供了时间；另一方面，使学生更容易发现问题，激发他们解决问题的潜能。在本次实验中，学生就提出了不少问题：
1) 质量 一定，探究 与 之间的关系:
研究这一问题时，多组学生通过DISLab实验发现：图线末端向下发生了弯曲，而理论告诉我们：两者之间必定成正比。问题提出后，全体学生激烈讨论，通过师生互动，我们就从理论的角度来分析成因。
以小车和钩码整体为研究对象：
根据牛顿第二定律：     即:   
写到这里，再引导学生用图像的方法来进行探究，该实验图象的纵坐标是小车的加速度，横坐标 ，而图象的斜率  
于是马上有同学提出：成因可能应该和钩码的质量有关。
接着我又让学生从这个角度来入手研究，通过集体讨论，学生得出了以下结论：
在 条件下，增加m，斜率可认为等于 ，由于 不变，故斜率不变，图象是直线；不满足 条件，斜率 随m的增大而减小,故上面图象中AB向下弯曲；最后，师生利用DISLab共同成功的完成了探究性学习。
笔者通过实践，很认同有些学者将DISLab称为探究性实验室的说法，因为DISLab确实能够在有限的时间内给学生更大的探究空间。
2) 合外力 一定，探究 与 之间的关系:
根据我们的经验，在相同外力的作用下，质量越大，加速度越小。这可能是“ 与 成反比”，也可能是“ 与  成反比”，甚至是更为复杂的关系。为了简化研究的过程，物理上采用”化曲为直”的方法，我们探究的是 与 、 ......它们之间的关系。但事实上，传统实验根本无法真正的让学生实施探究，因为整个探究过程既费时又费力，绝大多数学生都是在理论的基础上进行验证。这很明显违背了新课程的理念，无法培养学生探究的精神。而在DISLab中，计算机的应用软件可在瞬间将数据处理完毕，立刻就能得到合理的拟合曲线，误差极小，效果理想。这是DISLab本身自带的优势，在实验中，我们可以利用这些优势，充分的进行探究性学习。
因此DISLab在探究学习中十分必要，它简化了数据的采集过程，在观测、处理数据和分析结果等方面都具有无法比拟的优势，为学生的探究活动提供了工具保证。
2.设计不足②
    鉴于不足②，笔者在方案〈1〉的基础上改进设计。其实DISlab不能解决所有的问题，必要时可将它和其它传统装备有机的组合起来，合理的搭配、运用。在此，为了解决平衡角的调节问题，我们可在设计中引入另一种设备——气垫导轨。气垫导轨是一种现代化的力学实验仪器。它利用小型气源将压缩空气送入导轨内腔，空气再由导轨表面上的小孔中喷出，在导轨与滑行器接触表面间形成很薄的气垫层。滑行器就浮在气垫层上，与轨面脱离接触，因而能在轨面上做近似无阻力的直线运动，极大地减小了由于摩擦力引起的误差，使实验结果接近理论值。
在实验中，可用水平放置的气垫导轨来代替斜板，用滑块来替代小车。这样就能减小平衡角调节带来的误差,提高了实验的精确度。
改进方案〈2〉：DISlab实验——气垫导轨、位移传感器模型                          
（1）实验仪器：气垫导轨、位移传感器、数据采集器、滑块和钩码

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（2）数据分析：利用位移传感器测滑块的加速度
（3）设计局限：
在实验中，近似认为滑块所受的拉力等于钩码的重力。当钩码的质量增加时，实验的系统误差也会增大，此时得到的实验图线将是一条曲线（如图5）。
3.设计不足③
鉴于上述设计局限，为了提高实验的精确度，笔者在方案〈2〉的基础上改进设计，在钩码的上方加上力学传感器。当传感器和滑块一起运动时，它所显示的力就等于细线对滑块的拉力，它就是滑块所受的合外力。利用力学传感器，可以从理论上消除系统误差。此外，实验中所加的钩码并不受限制，即使力学传感器与钩码的总质量大于滑块的质量，也不会产生较大的误差。
改进方案〈3〉：DISlab实验——气垫导轨、组合传感器模型
（1）实验仪器：位移传感器、力学传感器、数据采集器、倾斜轨道、滑块和钩
               码
（2）数据分析：位移传感器测滑块的加速度，力学传感器测滑块所受的合外力
（3）结果对比：实验中所加的钩码并不受限制，因此得到的图像观测范围更大。
（4）实验局限：
1) 质量 一定，探究 与 之间的关系:
由于力学传感器自身的重力很大，故即使不加钩码，也存在一个较大的合外力，因此实验所取到的各组合力均很大，实验数据离原点都较远，很难得到过原点的 直线。
2) 合外力 一定，探究 与 之间的关系:
通过之前的计算得到：滑块所受的拉力 --------------------（3）
很明显，当滑块的质量 改变时，我们很难保证拉力 不变，故此实验并不能准确地探究 之间的关系。
3) 力学传感器有一条数据线相连，当它下降到一定程度后，数据线就会绷直，导致传感器对滑块的拉力减小，因此，此实验只能采集到较短时间内的数据。
（5）改进方案：
由于传感器的局限，我们的设计必须摆脱前面的实验思想（不用任何物体去拉被测体）。在此，可以兼容DISlab与传统仪器来进行设计，通过巧妙的设计、仪器的组合，可以尽量减小某些误差，更好地发挥数字化实验的功能。在实验设计中，可将滑块和倾斜气垫导轨组合，构成斜面模型。根据受力分析，滑块重力的分力即实验中的合外力。这样的设计就可摆脱数据线的限制，采集到更多的实验数据，消除了前面所提到的系统误差。
改进方案〈4〉：DISlab实验——倾斜气垫导轨模型
（1）实验仪器：高度可调的气垫导轨；位移传感器；数据采集器；滑块和米尺
（2）数据分析：位移传感器测小车的加速度
（3）设计原理：
1) 保持滑块的质量 不变，探究 与 之间的关系
保证滑块从顶端，无初速度开始下滑
斜面上：   （设导轨的长度为 ）
由此可见： 与 成正比
在实验中，要求多次改变气垫导轨的倾角 ，利用直尺测出各组斜面的高度 ，
利用位移传感器测出滑块的加速度 ，最终通过作图再来探究 的关系。
2) 保持滑块的合外力 不变，探究 与 之间的关系
合外力F不变，
改变滑块的质量   （必须改变导轨的倾角 ）
即保证 恒定
因此： （ 为定值），必定恒定。

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由此可见： 与 成反比、与 成正比
在实验中，多次改变气垫导轨的倾角 ，利用直尺测出各组斜面的高度 ，利用位移传感器测出滑块的加速度 ，最终通过作图再来探究 的关系。
（4）设备局限：
在实验中，必须测出不同的高度 ，测量必定存在误差；此外，在探究方案2中（保持合外力 不变，探究 与 之间的关系），必须保证 与 成反比，但实验操作时两者的匹配难度较大，导致实验操作过程比较繁琐，误差也不可避免。
（5）设计启示：
DISlab自动化程度高，可将数据处理、作图变得简单精确。但凡事都有两面性，该仪器价格昂贵，技术设计上也存在局限，因此DISlab不能解决所有的问题，设计时必须根据具体情况来加以运用。通常在实验设计中，我们既要满足新课程教学的要求，又要与传统实验仪器很好地兼容。面对DISlab存在的局限，我们可以通过实验设计来加以弥补。实际上，我们追求的并不是全方位的数字化设备，但是通过巧妙的实验设计、仪器组合，我们可以尽量减小某些误差，从而使得数字化实验可以更好地发挥它的功能。因此在实验设计中，我们既要提倡运用现代化的信息技术，又要重视和发展传统、简易的实验手段和方法。
三．DISLab引入实验设计的思考
DISLab是传统教学仪器的改进和延伸。引入DISLab后的物理实验，数据依然来自传统的实验装置，而其强大的数据采集和分析功能又是传统仪器无法实现的。但是，我们在惊叹DISLab带来的这一技术革新的同时，也不能忽视它的不足和负面影响。
首先DISLab是现实环境在空间、时间上的延伸，但它与现实的环境却有着本质的差异。DISlab涉及到技术知识较多，学生对内容比较生疏，实验时注意力容易转移。同时，数字化实验自动化程度高，易使学生单纯关注实验数据的采集、处理，忽视实验的物理意义，使实验变成数字“游戏”。
其次，从培养学生的能力来看，传统实验与数字化实验有明显的差异：前者侧重于培养细致、耐心的观察习惯，后者则侧重于培养思考探究的能力；前者一般比较重视实际操作的技能，后者则有利于借助信息技术、拓展知识的能力；在数据处理过程中，前者可以充分培养计算、作图的能力，后者则有助于培养探究性学习的潜能；在创新能力的培养方面，前者学生设计实验的局限较大，后者可培养学生创新设计的能力。 DISLab教学设备确实先进，但实验中学生长期如此操作，其物理实验的操作能力，物理绘图能力必然会下降。这与普通高中物理课程标准的能力要求相违背。所以笔者认为物理实验中不能一味的使用数字化实验，应该和传统实验有机的结合起来起来，合理搭配。当然，DISLab毕竟还是新生事物，怎样才能合理地运用这套实验设备，还有待于广大教师的摸索和研究。
    笔者以为，虽然数字化改造是实验教学不可缺少的环节，但在实验设计中，我们应该以传统实验为基础，以数字化设备为辅助，扬长避短，充分发挥DISLab的实验优势。