利用“仿真实验计算器”进行科学探究的新模式尝试

论文导读：①制作“仿真实验计算器”（如图）。仿真物理实验室都能够进行仿真。新型探究模式的设计缘由。单摆和弹簧振子同样是简单的简谐运动模型。对整个实验的操作和数据处理方式进行探讨。探究模式，利用“仿真实验计算器”进行科学探究的新模式尝试。
关键词：仿真实验计算器，仿真物理实验室，探究模式，弹簧振子，数据处理，控制变量法
 

一、新型探究模式的设计缘由

在学习了高中物理人教版（选修3-4）第十一章《机械振动》后，学生了解了单摆和弹簧振子是简谐运动的两重要特例，只学习了单摆周期的计算公式，可对弹簧振子的周期表达式学生对此却一无所知，知道单摆周期只与摆长有关而与摆球质量无关。那弹簧振子周期又与哪些量有关呢？学生对此表现出强烈的好奇心和探究欲。由于实验环境和实验条件的限制及对学生动手操作能力要求过高，让学生在传统物理实验室去做，实验结果往往和物理理论不相符，甚至出现试验数据相反的情况。于是便萌发了构建一个“仿真实验计算器”来代替实验并直接输出实验数据的想法，就好像日常生活中用计算器代替心算一样。让学生在计算机环境下进行虚拟实验操作，并利用计算机处理实验数据，为实验探究问题提供了新的思路。

二、“仿真实验计算器”介绍及对中学物理实验探究的实际意义

“仿真实验计算器”笔者是在“仿真物理实验室”这个软件的环境下实现的。“仿真物理实验室”是一款全新概念的全开放性教学、课件制作平台和实验仿真平台，它将物理定律全部内置了，并提供了一个实验器具完备的综合性实验室，教师所需要做的只是设置一下实验的初始环境，仿真物理实验室都能够进行仿真。不但可以做出一般实验室可以做出的实验，也可以做出一些真实实验室做不出来的实验．比如在本软件中，可以非常轻松地实现闪照功能，可以实时跟踪显示运动对象的速度和加速度，让人一目了然。对于正在学习物理的学生来说，仿真物理实验室是一个可以体验探究物理过程、一个可以设计实验去验证自己的设想、一个可以自由探索未知世界的实验探索平台和自由的想象空间。

“仿真实验计算器”虽然被认为是实验数据的计算者和输出者，但最重要的是它要求实验者事先从物理现象或问题中探究出物理实验模型和实验方案，进而根据被仿真实验的方案、原理、器材等事先构建好实验情景，其实这一点是和传统实验是一致的，也是实验的核心所在。在新课程的理念中，注重对学生的自主探究性培养，让学生自主体验科学探究，亲历“科学家发现真理”的过程，并把“过程与方法”作为物理教学的一个重要内容，以更好地培养学生的科学素养。基于此，以往只在大学里被用于大学实验的模拟仿真实验，由于其独特的优势现在也在中学物理实验中也被广泛应用。笔者开设了《探究弹簧振子的周期表达式》的研究性学习课题，让学生在仿真实验室这个平台上充分自主探究，由于仿真物理实验室制作出的弹簧振子模型交互性非常强，并能提供频闪照片和实时输出众多运动数据和图像，所以“仿真实验计算器”为学生提供了处理实验的一把利器，为学生探究提供便利和可行性。

三、新型科学探究模式展示：探究弹簧振子周期表达例析

探究是学习物理知识的一种重要的方式。科学探究都要经历一个基本的过程：

1、提出具体问题

单摆和弹簧振子同样是简单的简谐运动模型，已经知道了单摆周期为，发现周期只与固有属性摆长和重力加速度有关，而与其它物理量无关，那么弹簧振子周期又跟哪些因素有关呢？公式又会是怎样？

2、进行猜测假设

鉴于其运动特点，影响弹簧振子的振动周期（T）可能有：振幅（A）、振子质量（m）、弹簧劲度系数（K）、弹簧长度（L）、振子的阻力、当地重力加速度（g）有关。

3､设计实验探究方案

由于影响弹簧振子周期的相关因素比较多，振动过程比较快，也比较难测，所以直接用传统实验难以实现。仿真实验室恰好能提供上述影响振子周期的各种因素的的变化，并且非常自由的控制上述物理量变或不变。科技小论文，探究模式。

利用控制变量法制作五个“仿真实验计算器”进行实验方案:

1、弹簧振子周期与振幅的关系（T-A）；

2、弹簧振子周期与重力加速度的关系（T-g）；

3、弹簧振子周期与长度的关系（T-L）；

4、弹簧振子周期与质量的关系（T-m）；

5、弹簧振子周期与劲度系数的关系（T-K）；

4､仿真实验及数据采集

实验一：探究弹簧振子周期与振幅的关系（T-A）；

实验过程：

①制作“仿真实验计算器1”（如图），利用自带振子模块及简单编程即可完成弹簧振子模型及数据图像的输出。弹簧振子的初始数据为：振幅A=10cm、振子质量m=1kg、弹簧的原长L=20cm、弹簧劲度系数K=10N/m、重力加速度g=9.8m/s2。科技小论文，探究模式。

②多次改变振幅，观察周期的变化

③根据实验结果进行分析

实验结果显示：振幅不同时弹簧振子的周期都为1.98秒，说明弹簧振子周期与振幅无关。

实验二：探究弹簧振子周期与重力加速度的关系（T-g）；

实验在实验一的基础上制作“仿真实验计算器2”，多次调节内置重力加速度的大小，实验结果显示：重力加速度不同时弹簧振子的周期都为1.98秒，说明弹簧振子周期与重力加速度无关。

实验三：探究弹簧振子周期与长度的关系（T-L）；

实验在实验一的基础上制作“仿真实验计算器3”，在不改变劲度系数的前提下，多次调节弹簧的长度，实验结果显示：重力加速度不同时弹簧振子的周期都为1.98秒，说明弹簧振子周期与重力加速度无关。

实验四：探究弹簧振子周期与质量的关系（T-m）；

实验过程：

1制作“仿真实验计算器4”（如下图），能输出振动图像和周期数据。科技小论文，探究模式。

2根据计算器4，观察三个振子的振动情况，观察输出的数据。。

3发现振子振动不同步，周期明显不一样，且质量大的周期大。

4增加振子质量m=0.1kg到8kg的11组数据进行深入测量。

5根据实验要求，设计表格并将数据填入表内（如下表）。

（1）实验表格1-----在劲度系数不变的情况下，探究周期与振子质量的关系

实验五：探究弹簧振子周期与劲度系数的关系（T-K）；

实验过程：

1制作“仿真实验计算器5”（如下图），能输出振动图像和周期数据。

2根据计算器5，观察三个振子的振动情况，观察输出的数据。

3发现振子振动不同步，周期明显不一样，且劲度系数小的周期大。

4增加弹簧振子k=1N/m到80N/m的11组数据进行深入测量。

5根据实验要求，设计表格并将数据填入表内（如下表）。科技小论文，探究模式。

（2）实验表格2-----在振子质量不变的情况下，探究周期与劲度系数的关系

5､数据分析处理

分别对实验四、实验五两组表格的数据进行分析，找出T与m的关系及T与k的关系，其中利用作图找两物理量关系是非常有效的途径。

（1）根据实验表格1，探究在劲度系数不变（k=10N/m）的情况下，探究周期与振子质量的关系

利用Excel软件作图功能，作出右图可知T随m呈非线性递增趋势，仍找不出两者关系。但根据数学图像为指数函数，大胆尝试寻求T2与m的关系，找出了T2与m呈线性关系。

（2）根据实验表格2，探究在振子质量不变（m=1kg）的情况下，探究周期与劲度系数的关系

同理，也可找出T2与k呈线关系。

6、得出结论与评估

综上可以得出如下关系：；得到：

（K’为比例常数）

根据实验数据测算K’值，

由于“仿真实验计算器”内部实验最小扫描时间（5×10-5秒）和每脉扫描次数（200次）对实验精度的限制,不能得出与理论完全一致的结果，但已非常接近理论值，故从以上实验及分析研究可以得出:弹簧振子的振动周期与弹簧劲度系数，弹簧振子质量有关。

弹簧振子的振动周期表达式为:

从总结出来的弹簧振子的振动周期表达式与单摆周期公式的对比来看，发现在数值上6.259≈2π，从对称性角度和周期公式统一性上完全可以大胆假设：弹簧振子的振动周期表达式。科技小论文，探究模式。

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