传统实验与DIS数字实验的对比分析——以牛顿第三定律为例

传统实验与DIS数字实验的对比分析——以牛顿第三定律为例

庞礼军 江文艺

贵州师范大学物理与电子科学学院 贵州贵阳 550025

摘要：通过对比分析传统实验和DIS数字实验探究牛顿第三定律的优缺点发现，DIS实验弥补了传统实验的不足，丰富了实验内容，但是传统实验和DIS实验都没有展示出相互作用力“作用在同一直线上”的特征，由此提出改进利用一对小磁针来改进实验。实际教学中，若学校有传感器等实验条件，建议教师结合传统实验和DIS数字实验，引导学生开展探究，培养学生物理学科核心素养。

关键词：传统实验；DIS系统实验；牛顿第三定律

引言

牛顿第三定律的内容：两个物体之间的作用力F和反作用力F`总是大小相等、方向相反，作用在同一条直线上。因此实验探究需要关注三个方面：相互作用力的大小、方向、作用在同一直线。针对这三个方面对传统实验和DIS数字实验进行对比分析，以期找出合适的探究方案供中学老师参考。

1.传统实验分析

探究“牛顿第三定律”的传统实验有两种方式，第一种是人教版必修一教材呈现的实验方案：将一个弹簧测力计A固定在墙上，然后再沿着同一水平线拉弹簧测力计B；第二种是鲁科版必修一教材呈现的实验方案：沿着同一水平线相互对拉弹簧测力计A和B。人教版必修一教材提及的实验结果：两个弹簧测力计的示数是相等的，方向相反，由此总结“两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上。”

实际操作后获得多次测量的数据，如表1,可以发现作用力与反作用力大小非常近似了，但是还有一些误差，原因是在测量过程中，虽然尽量保持水平了，但是也很难保持弹簧测力计静止，从而导致指针晃动而使实验数据不够准确。

表1.传统实验操作的数据

次数      1       2       3       4

弹簧A   3.22N   4.52N    5.36N   6.34N

弹簧B   3.18N   4. 45N   5.55N   6.44N

1.1.传统实验存在的问题

教材分析和实际操作发现，传统实验“探究牛顿第三定律”有以下缺点。

第一，两个弹簧测力计的示数近似相同，只能说明在误差允许的范围内作用力与反作用力大小相等，但是没有清楚的展现出二者方向相反，更无法得出二者作用在同一条直线上。

第二，实际操作中，移动的过程中不方便读数，所以是等弹簧测力计稳定后再读数，但是这一操作容易给学生造成错误认知，即相互作用的物体在静止状态下才满足“作用力与反作用力大小相等”。

第三，传统实验没有展示出“作用在同一直线上”这一特征。

2.DIS数字实验分析

DIS数字实验的实验装置：由两个力传感器、一个数据采集器和一台安装由DISLab8.0软件的计算机构成。

实验操作步骤：（1）连接DIS 系统，确保系统正常运行，将力传感器放置在桌面上，对其进行调零；（2）在计算机的软件中添加两个力随时间变化的F-t图像，并将一个力设为“镜像显示”；（3）点击“开始”按钮，进行数据的记录，首先在在传感器缓慢运动的状态下对拉，然后保持传感器静止状态下对拉。（4）最后保存图像，观察F-t图像中图线的变化。

2.1.DIS 数字实验的优点

第一，弥补了传统实验的读数问题。用力传感器代替传统实验器材“弹簧测力计”，在计算机上建立F-t图像，能够实时、精确的记录下两个传感器的力随时间变化的图线，并且通过DIS系统能清楚的演示相互作用的物体在静止、运动状态下的大小、方向关系，学生观图线可以得出结论：相互作用的物体无论是处于静止还是运动的状态，作用力与反作用力的大小都相等，方向相反。

第二，弥补了传统实验的方向问题。观察图5中F-t图像变化可知，作用力和反作用力分布在时间轴的上下部分，学生已知力是矢量，矢量中的正负表示矢量方向的正负，由此学生观图线可以得出结论：作用力与反作用力的方向相反。

第三，增加了实验的多样化。传统实验只能探究弹簧测力计互相拉的过程，而传感器实验可以探究力传感器互拉和互压情况下的相互作用力大小和方向特点。[6]

2.2.DIS 数字实验的缺点

第一，实验器材昂贵，大部分寻常学校可能不配备该实验装置。

第二，数据采集器代替了学生的读数过程，不利于培养学生收集数据的能力。

第三，数字化实验装置操作过程要求较高，学生不容易操作，一般由老师代替此过程，因此不利于培养学生科学探究能力。

第四，虽然DIS数字实验清楚地展示了一对相互作用力的大小、方向特点，但是没有展示出“作用在同一直线上”这一特点。

2.3. DIS 数字实验操作需要注意的事项

探究运动状态下相互作用物体的力时，需要注意保持两个力传感器在匀速直线运动下互拉，避免在快速运动状态下互拉。因为加速移动过程中，力传感器有加速度，不再处于平衡状态，所以读数并非真正的拉力值，但是人教版教材将牛顿第三定律放在牛顿第二定律的前面学习，所以此时很难给学生解释读数并非真正的拉力值，从而影响探究过程。

3.实验改进方案

传统实验和DIS系统实验都没有体现出相互作用力“作用在同一条直线上”的特征，针对这一问题，可以利用一对小磁针来改进实验。

把两个小磁针放在桌面上，磁针A位于圆心处，磁针B位于圆周处，如图2所示。实验步骤：（1）分析磁针A和磁针B所受到磁力的方向。（2）让磁针B绕着磁针A在圆周上缓慢运动。在磁针B运动的过程中，观察两个磁针的指向，分析两个磁针所受磁力的方向。

在该实验中，学生可以清楚的看到磁针A和磁针B所受磁力在同一直线上且方向相反，这说明它们之间的作用力和反作用力的方向相反，作用在同一直线上。

4.结语

无论是传统实验还是DIS数字化实验，二者都有自己的优缺点。在实际教学中，若学校没有传感器等实验条件，建议老师利用弹簧测力计、小磁针等易寻找的实验器材，引导学生开展实验探究相互作用力“大小相等、方向相反、作用在同一直线上”的特征，由此得出牛顿第三定律。若学校有传感器等实验条件，建议老师结合传统实验器材和DIS数字实验开展教学，先让学生利用传统实验器材开展自主探究，然后教学再利用DIS数字实验向学生演示实验内容，这样即培养了学生科学探究能力，也能向学生展示数字化技术与物理相结合的魅力，满足《普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）》提出要重视数字实验，创新实验方式的要求。

参考文献

[1]周端焱.“牛顿第三定律”探究实验中的思维误区及改进建议[J]. 中学物理,2023,41(11):57-59.

[2]陈伟明,殷喜喜,周勋. 利用DISLab解决中学物理实验中的疑惑——以“验证牛顿第三定律”实验为例[J]. 湖南中学物理,2023,38(05):77-80.

[3]杨慧.“牛顿第三定律”实验教学设计[J]. 中学物理教学参考,2022,51(30):31-33.

[4]方肖营.创设情境实验  培养核心素养——以“牛顿第三定律”为例[J]. 湖南中学物理,2022,37(10):74-77.

[5]王晓娟,张松俊. 牛顿第三定律探究实验的优化设计[J]. 物理教师,2022,43(06):53-55.

[6]曾双维,石红,王晓迪,苟小毅. 依据教材编排安排教学实验——以“牛顿第三定律”为例[J]. 中学物理教学参考,2022,51(05):1-3.