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[项目] 信息技术与物理学科深度融合案例——电梯里超重与失重

本帖最后由云天于 2023-7-16 12:44 编辑

基于物理核心素养立意的课外实验设计

以SCI采集模块和重量传感器制作的测量装置研究电梯里超重与失重

【实验背景】
《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确了物理核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面。物理是一门基于实验的自然科学，学生的物理知识来源于课堂，更应当使之应用于生活，这是物理智育内化为物理素养的种重要表现。
演示实验是高中物理实验教学的重要手段之一，高中物理在演示实验教学中会结合多种方式开展，这能够在落实教学目标的同时培养学生的物理核心素养。相对传统教学，定性式的物理分析主要让学生对物理实验进行观察，没有实际的数据支撑，学生对物理现象的认识停留在表面，在概念理解和规律形成上缺乏主观理解。
本实验利用DIS实验技术进行“电梯里超生与失重”实验研究，"DIS" 是英文"DigitalInformation System"的缩写，又称“数字化信息系统”。是由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）+计算机”构成的新型实验系统。在物理学中有很多物理量，如距离、位移、力、速度、温度、压强、电压、电流、等，都可以用DIS进行测量。该系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。
【课前准备】
教师准备：本节课使用SCI采集模块、HX711重量传感器套件。SCI采集模块负责采集在电梯运行过程中HX711重量传感器套件上物质的重量数据，并可通过SCI采集模块上屏幕进行实时显示进行观察。数据采集完毕后，再结合Excel，进行图表显示分析数据。
【实验目的】

1.理解电梯里的超重失重现象

2.能够运用牛顿第二定律和牛顿第三定律分析超重和失重现象。

【实验原理】

电梯中物体的称重随时间的变化反映了该电梯加速度的变化。因为牛顿定律是力与运动状态相联系的桥梁，所以根据牛顿第二定律

知当合外力为0时，物体的加速度为0，物体将静止或匀速直线运动。

超重，物体具有向上的加速度，表现为减速下降和加速上升，电梯上升就是超重现象，根据牛顿第二定律，表达式为N-mg=ma。

失重，物体具有向下的加速度，表现为减速上升和加速下降，支持力小于重力，电梯下降就是失重，根据牛顿第二定律，表达式为N＋ma=mg。
【实验仪器】
信息技术与物理学科深度融合案例——电梯里超重与失重图2

SCI采集模块
SCI采集模块具有屏幕实时显示传感器采集的数据、HX711重量传感器自动识别、可存储超40万条数据、RTC时钟可以记录每次数据采集的时间戳。
信息技术与物理学科深度融合案例——电梯里超重与失重图3

HX711重量传感器套件
一键校准重量信息，每次复位/重启后自动“去皮”。
【实验装置】
信息技术与物理学科深度融合案例——电梯里超重与失重图1

HX711重量传感器套件的信号转接模块接SCI采集模块I2C接口，SCI采集模块由充电宝供电。SCI采集模块与充电宝在背面帖磁，以方便固定在电梯的金属内壁上。
【实践活动】
1.学生体验——称体重
今天我带来一个体重计，同学们想不想知道老师的体重呢？踩上去。
教师：我有一个问——为什么体重计能显示人的体重？
学生：人对体重计有压……
教师：不错，实际上，正是因为我对体重计有了压力体重计才显示了一定的读数，那么，压力一定等于重力吗？什么情况下体重计的示数才能等于体重呢？

教师：请一名同学上来称体重。要求先静止，然后向下蹲，再站起来，反复，要求其他同学通过摄像头观察大屏幕看体重计的指针。

学生：下蹲，站起，发现有时候变重了，有时候变轻了。

教师：在上下运动过程中，指针发生了变化，有时显示的比原来的要重，有时又比原来的要轻，这是怎么回事呢？在你上下运动过程中，你的体重发生变化了吗？一会变胖一会变瘦了？那是怎么回事呢？

学生：人对体重计的压力变化了 ------给出超重失重的概念。

2.知识要点——定义概念
超重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力) 大于物体所受重力的现象。
失重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力) 小于物体所受重力的现象。

教师：同学们都有过坐电梯的经历，坐电梯时，有什么感觉？

学生：说出感觉：上楼时，沉下去，快到时，轻飘飘的。

教师：嗯，你有这种感觉谅是因为发生了超重和失重，那么什么情况下发生超重，什么情况下发生失重呢？下面我们以同学们最熟悉的电梯为例分析超重和失重。

3.DIS实验——分析超重失重

（1）实验一

在电梯内安装好实验装置，重量传感器套件上放置100g砝码，按下记录键，从一楼上升八楼。

观察砝码的重量时间图像可以发现：当电梯从一楼到八楼的过程中，电梯的加速度先均匀增大的加速运动，然后做加速度均匀减小的加速运动，然后以最大速度匀速上升，然后做加速度逐渐增大的减速运动，最后做加速度逐渐减小的减速运动，最后停止运动。
由于砝码和电梯一起运动，所以和电梯有相同的加速度。
1、向上加速或向下减速时，加速度向上，对砝码，ma=N-mg,N=ma+mg，N大于重力，超重;
2、向上减速或向下加速时（a<g时），加速度向下，对砝码，ma=mg-N，N=mg-ma，N小于重力，失重.
（2）实验二
再从八楼下降到一楼。
信息技术与物理学科深度融合案例——电梯里超重与失重图6

电梯的加速度先均匀增大的加速运动，然后做加速度均匀减小的加速运动，然后以最大速度匀速下降，然后做加速度逐渐增大的减速运动，最后做加速度逐渐减小的减速运动，最后停止运动。
（2）实验三
改变砝码质量，重量传感器套件上放置150g砝码，按下记录键，从一楼上升八楼，再从八楼下降到一楼。
信息技术与物理学科深度融合案例——电梯里超重与失重图7