用DIS測量最大靜摩擦力的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳嘉妍

摘? ?要：DIS應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，提高了實(shí)驗(yàn)的可視性。利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測量最大靜摩擦力，探究影響最大靜摩擦力的因素，加深學(xué)生對靜摩擦力的理解。

關(guān)鍵詞：最大靜摩擦力;DIS實(shí)驗(yàn); 彈簧測力計(jì)

1? 問題的提出

2017版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，其非常重視培養(yǎng)學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力，提倡教學(xué)方法及學(xué)習(xí)方式的多樣化。并在教學(xué)建議中明確指出：“數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是教育信息化發(fā)展的需要，更是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方法和手段”“學(xué)校要重視引導(dǎo)教師研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法，研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)方式，促進(jìn)教學(xué)手段和方式的現(xiàn)代化”[ 1 ]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲取知識最直接的手段和最真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)生動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)上起著不可取代的作用。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)處理和直觀表現(xiàn)，提高了實(shí)驗(yàn)的精度和效率，學(xué)生用于處理數(shù)據(jù)的時(shí)間大大減少，為探究性實(shí)驗(yàn)提供了很好的平臺(tái)，便于學(xué)生進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

最大靜摩擦力是司南版必修1第4章第3節(jié)摩擦力中的內(nèi)容，最大靜摩擦力是教學(xué)中的難點(diǎn)，學(xué)生不容易判斷出最大靜摩擦力出現(xiàn)在什么地方，學(xué)生不理解為什么最大靜摩擦力比滑動(dòng)摩擦力大。司南版教科書對這部分內(nèi)容的處理是利用彈簧測力計(jì)粗測最大靜摩擦力（圖1）幫助學(xué)生形成感性認(rèn)識，試圖讓學(xué)生了解到最大靜摩擦力是物塊剛好被拉動(dòng)的時(shí)候的摩擦力。但教學(xué)中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的效果不太明顯，通過彈簧測力計(jì)只能測量物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力，最大靜摩擦力很難通過彈簧測力計(jì)準(zhǔn)確得出數(shù)值，學(xué)生對最大靜摩擦力的學(xué)習(xí)還不能達(dá)到深度地理解。為此，利用力傳感器替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的彈簧測力計(jì)，測量最大靜摩擦力，并探究影響最大靜摩擦力的因素，加深學(xué)生們對最大靜摩擦力的理解。

2? 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1? 自制靜摩擦力演示儀

自制實(shí)驗(yàn)儀主要有力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、手搖裝置、木板以及木塊，朗威DISLab8.0系統(tǒng)組成。如圖2把力傳感器固定在木塊中央，繩子的一端纏繞在手搖裝置的滑輪上，如圖3另一端連接力傳感器的掛鉤，轉(zhuǎn)動(dòng)手搖柄，讓繩子拉動(dòng)力傳感器，使力傳感器與木塊一起運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)利用手搖柄手動(dòng)控制木塊的移動(dòng)的情況，可直接觀察到輕輕拉動(dòng)木塊但木塊未運(yùn)動(dòng)時(shí)力的大小。利用力傳感器替代彈簧測力計(jì)具有較高的動(dòng)作穩(wěn)定性，是人工動(dòng)作難比擬的[ 2 ]。

2.2? 實(shí)驗(yàn)原理

靜摩擦力的大小不易測量，實(shí)驗(yàn)過程中利用轉(zhuǎn)換法使木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用二力平衡的知識，通過拉力反映摩擦力的大小。如圖4，DISLab系統(tǒng)能將抽象的摩擦力的變化過程用圖像直觀的顯示出來，通過圖象可以得出摩擦力的大小變化以及最大靜摩擦力的瞬間變化過程。

改變木塊正壓力的大小，從圖象上得出最大靜摩擦力的大小，由此比較最大靜摩擦力與正壓力的關(guān)系;改變木板的粗糙程度，從圖象上得出最大靜摩擦力的大小，由此比較最大靜摩擦力與接觸面的粗糙程度之間的關(guān)系。

2.3? 實(shí)驗(yàn)過程

2.3.1? 測量最大靜摩擦力的大小

實(shí)驗(yàn)操作時(shí)打開朗威DISLab8.0界面通用軟件，將木板放在手搖裝置上，把裝有力傳感器的木塊放在木板上。在保持繩子松弛的情況下，對力傳感器進(jìn)行調(diào)零。實(shí)驗(yàn)時(shí)輕輕拉動(dòng)木塊，隨著拉力的增大，靜摩擦力不斷增大。點(diǎn)擊“組合曲線”設(shè)置橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為力的大小，然后點(diǎn)擊“開始記錄”按扭后轉(zhuǎn)動(dòng)手搖裝置，使木塊恰好運(yùn)動(dòng)，直至木塊動(dòng)起來后停止記錄。系統(tǒng)可自動(dòng)生成該過程中f-t圖象。觀察實(shí)驗(yàn)曲線f-t圖象，利用“其它處理”功能可知其最大值便是最大靜摩擦力的大?。ㄈ鐖D5所示）。根據(jù)圖象變化的情況，引導(dǎo)學(xué)生分析最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系。

2.3.2? 探究正壓力與最大靜摩擦力的關(guān)系

最大靜摩擦力的影響因素在司南版教科書中并沒有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)影響最大靜摩擦力的因素的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解最大靜摩擦力的概念。

實(shí)驗(yàn)過程中保證接觸面的粗糙程度不變，改變木塊正壓力的大小，當(dāng)正壓力分別為1.96N、2.94N時(shí)作出f-t圖象（圖6），利用“其它處理”功能，可測得最大靜摩擦力的數(shù)值分別為1.290N、1.550N，通過圖6可以直觀看出最大靜摩力與正壓力的關(guān)系。

2.3.3? 探究接觸面粗糙程度與最大靜摩擦力的關(guān)系

保證木塊正壓力大小不變，改變接觸面的粗糙程度。首先讓木塊與木塊接觸可測得最大靜摩擦力記為fm1（如圖7）。然后讓木塊與鐵片接觸，改變接觸面的粗糙程度，在木板上測量出木塊與鐵片兩者之間的最大靜摩擦力，記為fm2（如圖8）。為了方便比較，計(jì)算出這兩種情況的靜摩擦力因數(shù)?？傻贸瞿九c木之間的最大靜摩擦因數(shù)分別是：μs（木-木）=0.39;木與鐵之間的最大靜摩擦因數(shù)分別是：μs（木-鐵）=0.35。

2.4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

分析圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接觸面的粗糙程度保持一定時(shí)，木塊的最大靜摩擦力隨著物塊正壓力的變化而變化，正壓力越大，物塊的最大靜摩擦力也越大;分析圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，接觸面的粗糙程度會(huì)影響最大靜摩擦力的大小，由靜摩擦因數(shù)可知，接觸面越粗糙，最大靜摩擦力越大。

3? 教學(xué)啟示

摩擦力是力學(xué)部分重要概念之一，學(xué)生在初中的學(xué)習(xí)中也已經(jīng)初步認(rèn)識了滑動(dòng)摩擦力，但是對于最大靜摩擦力，學(xué)生還存在著認(rèn)知障礙。教學(xué)中可以利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，從學(xué)生的直觀認(rèn)識開始，用彈簧測力計(jì)拉動(dòng)木塊粗測木塊與木板間的最大靜摩擦力，然后再利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測量最大靜摩擦力，并探究影響最大靜摩擦力大小的因素。利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能，直觀地從圖象中反映出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教學(xué)中通過對圖象進(jìn)行仔細(xì)的觀察以及細(xì)致的分析，能夠加深對實(shí)驗(yàn)特征的了解，幫助學(xué)生加強(qiáng)對物理概念的理解[ 3 ]。

單一的教學(xué)方式已不適應(yīng)全面發(fā)展的時(shí)代，DIS實(shí)驗(yàn)不可完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也無法獨(dú)樹一幟。DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該同時(shí)并重，互為補(bǔ)充，相輔相成，既無主次之分，更不能互相替換[ 4 ]。把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化整合是現(xiàn)代教學(xué)的需要，是當(dāng)今時(shí)代培養(yǎng)全面發(fā)展的人的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2017：19-76.

[2]趙燕君.用DIS進(jìn)行滑動(dòng)摩擦力實(shí)驗(yàn)演示[J].物理教學(xué)，2010，32（7）：27-30.

[3]程建軍.運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提高初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性[J].物理教師，2017，38（9）：42-44.

[4]夏良英，李永洪，張喜林.DIS實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中的對比研究[J].物理教師，2014，35（4）：42-58.