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[高级教程] 首届“掌控板”教学应用设计大赛——自制教具示范案例

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首届“掌控板”教学应用设计大赛——教学设计示范案例

【感谢中国电子学会现代教育技术分会为此次大赛提供的自制教具示范案例】

自制教具申报表

一、教具名称：超重与失重缓冲坠落实验装置

二、 申报者：周茂华李琦贺晓山

三、所在学校（单位）：深圳市第二高级中学

四、 教具适用学段：（请在确认的学段上划“√”）

（）小学（）初中（√）高中（）其他

五、 教具适用学科：（请在确认的学科上划“√”）

（√）物理（）化学（）生物（）信息（）其他

六、 教具性质：（请在符合选项上划“√”）

（√）创新教具（）改进教具

七、 教具适用知识背景介绍：（主要介绍教具在那个年级那个单元那一节内容的教学中适用）

本教具适用于高中必修一第四章《牛顿运动定律》中第7节《用牛顿定律解决问题二》内容教学，用于探究物体超重和失重时的加速度变化，以及缓冲效果。

知识背景：超重是物体所受限制力，也可称之为弹力（拉力或支持力）大于物体所受重力的现象。当物体做向上加速运动或向下减速运动时，物体均处于超重状态，即不管物体如何运动，只要具有向上的加速度，物体就处于超重状态。超重现象在发射航天器时更是常见，所有航天器及其中的宇航员在刚开始加速上升的阶段都处于超重状态。

失重是物体在引力场中自由运动时有质量而不表现重量或重量较小的一种状态，又称零重力。失重有时泛指零重力和微重力环境。确切地讲，当加速度竖直向下时为失重状态。

八、教具使用简介：

1、教具的特色（创新性、解决或改善的问题）

a.离线数据采集，减少实验误差；

b.自动记录并保存实验数据，保证了数据的准确性；

c.可单一变量进行对比分析；

d.多个实验集合，完成相关知识点的探究；

2、教具的制作方法（实验所需器材、设计图与组装图、程序设计与源代码）

a.实验所需材料

序号	名称	数量	说明
1	掌控板	1个	主控板，采集数据
2	掌控宝（掌控拓展板）	1个	离线供电用
3	3003005mm椴木板	1块	需使用激光切割机按图切割
4	3002005mm透明亚克力	1块	需使用激光切割机按图切割
5	磁铁（直径13mm）	2个	吸附固定用
6	USB线	1条	上传程序、数据传输
7	螺丝螺母紧固件	若干	结构固定
8	不同厚度软质海绵或橡皮泥	若干	探究缓冲对坠落加速度的影响

b.设计图与组装图

利用掌控板内置的加速度传感器，将掌控板固定在一个物体上，然后让掌控板随物体一起从高处坠落，为保证掌控板始终处于竖直状态，设计了一个坠落实验装置。

图1 底座支架（含刻度，可测量下落高度）

图2 箱体（固定掌控板，中部穿过支架，保持竖直）

图3 限高装置（固定在支架上，限制下落高度）

图4 控制释放装置（内镶磁铁，翘动后箱体脱落）

图5 组合后完整实验装置

注：后附实验装置切割图加工文件

c.程序设计与源代码

（1）数据采集

要求当松开按键A后，掌控板开始记录数据X轴加速度保存到列表，当记录50个数据后，判断加速度是否变化，如无变化，删除列表的第一个数据点在记录当前数据点，只贮存50个数据点，如有变化，再继续增长列表继续记录数据，直到记录完250个数据点自动停止或按下B键停止手动停止采集。

（2）数据保存

按下掌控板B键，将数据列表里采集的数据以TXT文档的格式保存到掌控板的文件系统中，并显示保存进度。

（3）数据呈现

触摸掌控板P键，将实验数据以点线图的形式在软件中呈现。

（4）数据展示效果

注：后附源代码程序文件

3、教具的使用方法（教学过程设计、教具使用演示视频）

课程导入

在坐电梯上楼时，电梯启动瞬间人会突然感觉自己变重了一下，而当电梯到达楼层停止的瞬间，人又会感觉自己突然变轻了一下。实际上，人的体重并没有发生变化，所受的重力也没有发生变化，那为什么会有这种突然变重又突然变轻的感觉呢？让我们一起用掌控板来探究超重与失重问题。

当一个质量为m的物体静止在水平面上时，此时水平面给物体的支持力与重力大小相等、方向相反，即竖直向下的重力与竖直向上的支持力，它们的大小都是mg。但是在某些情况下，水平面给物体的支持力小于其重力，此时我们称该物体失重了。反之当支持力大于其重力时，我们就称该物体超重了。

实验活动1：探究物体坠落过程中的加速度变化

实验准备：

如下图所示，使用底座支架、木质箱体连接掌控板布置实验装置，探究物体坠落加速度变化过程。

实验步骤：

1）向掌控板上传程序，打开掌控板拓展板电源开关，取下USB数据线。

2）将箱体通过磁铁固定在支架上

3）将释放高度调整到10cm进行箱体坠落实验，并读取记录的加速度数据

4）将加速度数据绘制成图表，并分析当物体从静至到坠落过程中所受加速度有几个变化阶段

课堂讨论：

从箱体受力变化的⻆度，分析实验活动1中箱体坠落过程不同阶段的超重与失重情况

课堂讲解：

物体下落过程中加速度的变化情况

在物体被释放前，所受的重力与支持力大小相同方向相反，因此物体保持静止；当物体从高处下落时，在重力的作用下，物体会做加速运动，在这个过程中物体所受的支持力消失，物体为失重状态；当物体撞击地面的过程中，地面对物体会产生一个大于重力的支持力，合力产生的加速度与物体运动的方向相反，物体做减速运动，此时物体为超重状态。

实验活动2：探究不同高度下箱体落地时受到的最大加速度

实验准备：坠落装置

实验步骤：

1）重新编写掌控板程序，在显示屏中显示检测到的最大加速度值

2）调整下落高度为5cm

3）释放箱体，记录最大加速度值

4）调整高度在10cm、15cm、20cm处，分别记录最大加速度值

5）将数据点绘制到图表中

实验结论：

箱体下落越高，落地时所受加速度越________________

课堂讲解：

跳高场地的海绵缓冲垫作用

在运动会上的跳高场地，我们经常可以看到绿色的海绵缓冲垫放置在跳高运动员的落点。跳高运动员在落地瞬间如果身体受到较大的加速度会对人造成伤害，而起跳后落在海绵缓冲垫上则可以极大的保护运动员。那么海绵缓冲垫能保护运动员背后的科学原理又是什么呢？

实验活动3：缓冲对箱体落地时加速度的影响

实验准备：坠落装置

实验步骤：

1）调整箱体下落高度为11cm

2）在底部平台放置1cm厚海绵（或橡皮泥，后同）

3）进行坠落实验，读出掌控板的记录数据

4）调整箱体下落高度为12cm，并在底部平台放置2块1cm厚海绵，进行第而次，导出记录数据

5）调整箱体下落高度到13cm，同时底部平台海绵为3块，进行第三次，导出记录数据

6）对于采集得到的三组数据，分析数据的变化规律

课堂讲解：

动量守恒定律

物体的质量m乘以其速度v的值称为动量；而对于一个力f乘以其作用时间t的值称为冲量；对于一个物体而言，它动量的变化量等于所受的冲量。即mv=ft在实验活动3中，因为下落高度的控制，所以它接触海绵时的速度是一致的，也就是说动量是不变的。但是在实验结果数据中进行观察，可以很清楚的发现，随着海绵变厚，箱体在落地阶段所经历的时间变长了，同时所受加速度变小了。这就很好的解释了动量守恒定律，即要产生相同的冲量，力作用时间变长则意味着力就变小了，力是产生加速度的原因，因此物体所受的冲击也变小了。

课堂活动：

人在凡尔纳的大炮中会感受到多少倍自身的重量？

19世纪著名的科幻作家凡尔纳有一本著名的科幻小说《从地球到月球》，在小说中描绘了一门超级大炮，通过发射大炮把人发射到月球上。

注：后附实验操作视频

4、结论（教具的演示结果的准确性；教具的可推广性）

本次教学活动我们从坐电梯的一个小小的现象出发，认识了超重与失重。同时我们通过实验体会到了物体在下坠过程中所感受到重力的变化，并且分析了落到不同的地面时所受到的加速度变化规律，最后通过物理定律的分析了解了动量守恒。

本实验装置核心仅使用了掌控板的重力加速度传感器，结构器材均采用激光切割的木板和亚克力材料，成本低，可操作性强，实验操作简单快捷，可使用与教室演示和学生自主探究，实验效果明显，有利于学生对本章节内容的学习和理解

附件：

1、实验装置切割图加工文件