重視手機實驗,助力實驗教學,提高學科素養
——以2023年高考物理湖南卷第11題為例

李睿韜

(廣東省佛山市三水區華僑中學)

2019年11月《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》的出臺,作為一門以實驗為基礎的學科,物理教學中實驗的重要性毋庸置疑。我們常說無實驗沒物理?？梢妼嶒瀸τ谖锢韺W科的重要性,依據物理學科核心素養修訂的最新《普通高中物理課程標準(2017年版)》中多次強調信息技術的應用,如“提高物理教學水平,發展學生物理學科核心素養,離不開信息技術與物理學習的融合。要設計各種學習活動讓學生利用信息技術提升物理學習能力”等。我們現在設想融合信息技術的新型教與學模式來突破物理實驗的難點,提高其有效性教學,也為實現突破高考提供一些可行性的建議。

1.高考題賞析

1.1 試題與解析

(2023湖南卷·11)某同學探究彈簧振子振動周期與質量的關系,實驗裝置如圖1所示,輕質彈簧上端懸掛在鐵架臺上,下端掛有鉤碼,鉤碼下表面吸附一個小磁鐵,其正下方放置智能手機,手機中的磁傳感器可以采集磁感應強度實時變化的數據并輸出圖像,實驗步驟如下:

(1)測出鉤碼和小磁鐵的總質量m;

(2)在彈簧下端掛上該鉤碼和小磁鐵,使彈簧振子在豎直方向做簡諧運動,打開手機的磁傳感器軟件,此時磁傳感器記錄的磁感應強度變化周期等于彈簧振子振動周期;

圖1

(3)某次采集到的磁感應強度B的大小隨時間t變化的圖像如圖2所示,從圖中可以算出彈簧振子振動周期T=________(用“t0”表示);

圖2

(4)改變鉤碼質量,重復上述步驟;

(5)實驗測得數據如下表所示,分析數據可知,彈簧振子振動周期的平方與質量的關系是________(填“線性的”或“非線性的”);

m/kg10T/sT/sT2/s20.0152.430.2430.0590.0253.140.3140.0990.0353.720.3720.1380.0454.220.4220.1780.0554.660.4660.217

(6)設彈簧的勁度系數為k,根據實驗結果并結合物理量的單位關系,彈簧振子振動周期的表達式可能是________(填正確答案標號);

(7)除偶然誤差外,寫出一條本實驗中可能產生誤差的原因:

。

1.2 試題評價

高考評價體系主要由“一核、四層、四翼”三部分內容組成。其中“立德樹人、服務選才、引導教學”,是核心內容,2023年湖南卷第11題很好地體現了其要求。從考查內容來看,本題考查的是彈簧振子、周期性運動、單位量綱等“必備知識”;通過對新儀器使用、圖像、數據處理等的“關鍵能力”和通過實驗原理分析得出實驗誤差來源的“學科素養、核心價值”,這“四層”充分體現了素質教育的育人目標;“四翼”為考查要求,用智能手機代替傳統儀器來進行實驗,既體現了實驗的“應用性”和“創新性”,又考查了學生對實驗原理的理解和新儀器使用的知識遷移能力,是素質教育的評價維度在高考中的體現。智能手機作為情景載體,這個新時代寵兒把來源于教材的實驗給考生一個既熟悉又陌生的感覺。引導教學從原理出發,從身邊器材出發,關注智能手機給生活乃至實驗帶來的改變,提高物理教學水平,發展學生物理學科核心素養,離不開信息技術與物理學習的融合。要設計各種學習活動讓學生利用信息技術提升物理學習能力。

2.智能手機實驗

智能手機軟件中,有可用來采集數據的傳感器,我們可以將原始數據與結果導出,做進一步的分析。支持的傳感器有加速度計、磁力計、陀螺儀、光強度計、壓力計、麥克風、距離傳感器和GPS等。

其中,RH為霍爾系數,KH為霍爾元件的靈敏度?；魻栯妷弘S著磁場的強度變化,通過傳感器靠近磁性物質,磁感應強度B將發生改變,霍爾電壓UH也隨之改變,經過電路中放大器將霍爾電壓放大進而將電信號進一步處理。

圖3 實驗裝置

圖4 磁感應強度B隨時間變化圖像

3.實驗教學啟示

3.1 重視手機實驗

智能手機作為日常生活中最常見的用品,當我們用它作為探究物理知識的工具,學生才能真正體會到信息技術跟生活密不可分。物理很多概念、現象比較抽象,傳統的實驗器材又不盡人意,智能手機軟硬件功能日益強大,自帶很多傳感器,只要我們利用得當,手機就是一座帶在身邊的物理實驗室。一線教師設計實驗方案讓學生親身體驗實驗過程,讓學生體會到利用手機等信息技術手段研究物理知識的樂趣。務必提高學生科學探究的物理學科核心素養,提高物理教學的有效性。

3.2 智能手機實驗助力實驗教學,提高學科核心素養

通過驗證型實驗、探究型實驗和測量型實驗的方案設計來體現智能手機實驗對物理實驗教學的幫助及其優越性。學生從中產生新的體驗感和新的創新意識,從而激發探究熱情去進行實驗創新和科學探究。

3.2.1 用單擺實驗驗證當地重力加速度

從網上查到當地的重力加速度數據,然后通過實驗來驗證其大小。實驗裝置如圖5所示,把磁鐵吸附于小鐵球下面,單擺的正下方放置手機,打開軟件,當單擺小角度(經過多次實踐最好1度左右)擺動時,利用智能手機自帶的磁感應強度傳感器,采集磁感應強度隨時間周期性變化數據(如圖6所示),從而測出單擺的周期T。

圖5 實驗裝置

圖6 磁感應強度隨時間周期性變化圖像

d為小鐵球的直徑,則單擺的擺長為

利用智能手機的磁力傳感器,可以比較方便準確地測量當地重力加速度,然后跟網上數據進行比較。

3.2.2 研究失重、超重

智能手機自帶的加速度傳感器可以很好地應用于力學實驗。例如研究失重和超重:打開軟件,用手平托手機在體重計上進行起立和下蹲動作,我們除了可以看到體重計的讀數變化,智能手機還可以記錄加速度的數據(如圖7所示)。由圖像可以看出,人在起立過程先超重后失重,中間段人處在靜止狀態加速度為零壓力等于重力,下蹲過程先失重后超重。還可以帶著手機到電梯里面研究失重和超重。加速度實時變化通過手機即時顯示出來,讓學生能充分探究失重、超重現象產生的原因,從而透徹理解物理概念。

圖7 加速度與時間變化圖像

3.2.3 測定彈簧勁度系數

實驗時將手機連接在彈簧下端,使手機在豎直方向做簡諧振動(如圖8所示),打開軟件,點擊“彈簧”選項,可以測出簡諧運動的周期T和頻率f(如圖9所示)。其原理是通過加速度傳感器,測得不同時刻豎直方向的加速度,通過“豎直方向加速度-時間”圖像軟件自動獲得簡諧運動周期T。

圖8 手機在豎直方向做簡諧運動

圖9 測出簡諧運動的周期T和頻率f

根據彈簧振子做簡諧運動的周期公式:

測出彈簧振子質量m和彈簧振子周期T,就可以準確快捷得出彈簧的勁度系數k。

4.結語

信息技術與物理課堂融合是當前教育的發展趨勢,智能手機的加入使很多只能定性地實驗得以定量演示,使動態變化盡收眼底,實驗教學更有效。完整的實驗教學應該是課堂上的實驗教學與課后學生的自主探究相結合。智能手機就可以給學生帶來這個便利。學生利用智能手機進行物理實驗,使實驗室搬離學校,使實驗探究搬離實驗室,學生隨時隨地都可以進行實驗研究。學生實驗探究的興趣被激起,動手能力被加強,學科核心素養得以提高。