数字实验与传统实验的融合
作者： 陈卫国
数字实验与高中物理实验融合，是高中物理实验教学发展的必然趋势，现以人教版高中物理必修一第三章“斜面物体重力分解”为例，对数字实验与传统实验融合的教学实践进行探究。
一、问题的提出
斜面物体重力分解问题在物理中具有特殊意义，大量动力学问题由此衍生。然而，众多学生认为斜面物体重力分解是“分解为平行斜面方向的分力和垂直压弯斜面的分力”。此外，教材中的传统实验设计还存在以下弊端：
（一）不能直观展示物体重力在垂直斜面方向分力的变化情况。
（二）通过采集若干离散静态点位置数据得出的结论不具有普遍性。连续变化的斜面倾角会导致平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力发生变化，该变化规律通过传统实验无法得知。
二、数字实验设计原理
借助数字实验系统，可使实验过程由静态转向动态，数据采集由离散转向连续，实现动态、定量的实验效果。
三、数字实验分析
用细绳取代轻弹簧，使小车在薄壁弹性金属斜面位置不发生改变，将压力传感器触杆与薄壁弹性金属斜面垂直，通过调零消除斜面和小车对传感器的作用。
打开艾迪生数字化探究实验软件，在“数据列表”新增数据列-F1、F12+F22两列。调节斜面倾角，点击“开始”，系统自动记录任意时刻、不同倾角、仅“配重”所受重力在平行斜面方向分力F1、垂直斜面方向分力F2，以及-F1、F12+F22两列；并在“图区”呈现对应的图像。经数据与图像分析发现：
1.在实验误差允许范围内，对于任意角度，两个压力传感器采集的数据F12+F22几乎与“配重”G2大致相等。
2.调节底座旋钮，使斜面倾角在30°～65°之间连续变化，点击“开始”，压力传感器采集参数，同时右方图区呈现平行斜面方向和垂直斜面方向两个分力随倾角的变化情况，以及由数据展现的规律，并对图像进行“曲线”拟合，如图2所示。
由此可得出结论：
1.斜面物体重力在任何时刻均可分解为平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力，两个分力的平方和与重力平方大小相等。
2.斜面倾角θ增大，平行斜面方向分力变大，垂直斜面方向分力变小，但两个分力大小变化并非呈线性变化。
基于上述实验结论，沿平行斜面方向和垂直斜面方向建立坐标系，将重力G沿两个坐标轴方向分解为G1和G2，计算得到G1=Gsinθ、G2=Gcosθ。
对“斜面物体重力分解”的传统实验与数字实验融合，不仅可以帮助学生观察重力在平行斜面方向分力和垂直斜面方向分力及离散的变化情况，还能定量观察这两个分力随倾角连续变化的情况，促使学生在实践与观察中，将思维认知从唯象进入唯理，进行深度学习，提高科学探究能力。