基于DIS探究物體滑動摩擦力大小

丁宗星

摘? ?要：簡單介紹了DIS系統(tǒng)的原理構(gòu)造和使用方法，并結(jié)合實際的課堂實驗案例展示了如何基于DIS系統(tǒng)來直觀地測量物體的滑動摩擦力大小，實驗方案器材簡單、易于操作，通過Excel軟件對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值擬合，實驗現(xiàn)象良好，實驗誤差較小，更加生動形象地揭示了各物理量之間線性關(guān)系，有助于學(xué)生對公式形成理解性的記憶，充分展現(xiàn)物理情境，激發(fā)學(xué)習(xí)欲望，培養(yǎng)學(xué)生自主探究物理規(guī)律的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：DIS系統(tǒng);高中物理;Excel;滑動摩擦力

引言

隨著時代的進(jìn)步，DIS系統(tǒng)在教育領(lǐng)域中作為教育教學(xué)測量工具，已被廣泛應(yīng)用在各學(xué)科實驗探究采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理，然而大部分教師只把它結(jié)合成套的實驗裝置固定教學(xué)演示，所得實驗效果不是很理想，實驗方案、器材存在缺陷無法實現(xiàn)多組分類探究實驗，造成教學(xué)資源的浪費，因此如何利用DIS系統(tǒng)致力于實驗物理教學(xué)的相關(guān)研究成為廣泛討論的問題。結(jié)合實際課堂教師演示實驗，提出簡單、易于操作的實驗方案，借助DIS系統(tǒng)在高中物理實驗教學(xué)中的實驗數(shù)據(jù)測量應(yīng)用進(jìn)行了案例分析，希望能夠激勵更多的年輕教師在成套實驗裝置面前勇于打破傳統(tǒng)，大膽提出有創(chuàng)意、又簡單可行的實驗方案，促進(jìn)實驗教學(xué)。

1? 物理實驗DIS系統(tǒng)組成

DIS系統(tǒng)全稱數(shù)字化信息系統(tǒng)，而物理實驗DIS系統(tǒng)主要圖形計算器實驗系統(tǒng)儀器和計算機(jī)輔助實驗儀器所構(gòu)成。物理教學(xué)通常使用計算機(jī)輔助實驗儀器，其中包括計算機(jī)、測量傳感器、數(shù)據(jù)連接線和計算機(jī)軟件[ 1-3 ]。

2? 物理實驗DIS系統(tǒng)的測量傳感器

高中物理實驗DIS系統(tǒng)的常見測量傳感器主要：位移傳感器、聲波傳感器電學(xué)、電學(xué)傳感器、力學(xué)傳感器等等，本文主要涉及到的傳感器是力學(xué)傳感器用于間接測量物塊的滑動摩擦力[ 3 ][ 4 ]。

2.1? 電腦軟件安裝

通過相關(guān)步驟安裝DISLab 8.0 軟件，當(dāng)正確安裝完軟件后，在電腦桌面上出現(xiàn)如圖1所示的軟件界面。然后雙擊該軟件彈出目錄頁面，通過選擇相應(yīng)的測量摩擦力模塊并點擊。

2.2? 數(shù)據(jù)采集步驟

采集器有四個通道可以同步采集、處理和顯示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器可通過接插有線或無線模塊改變與傳感器的通訊方式，從而實現(xiàn)四路無線采集。本文實驗數(shù)據(jù)采集器選擇接插有線方式。在點擊測量摩擦力模塊之后桌面會顯示如圖2所示界面，測量數(shù)據(jù)之間先對傳感器調(diào)零，再點擊開始記錄按鈕開始實驗記錄，持續(xù)一段時間后點擊停止記錄按鈕，通過單擊選擇區(qū)域按鈕來測量本次實驗數(shù)據(jù)摩擦力大小[ 3 ][ 4 ]。

通過點擊直線擬合按鈕將所測得摩擦力大小數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像擬合，可得到摩擦力關(guān)于時間變化的圖像，再點擊擬合按鈕轉(zhuǎn)化得到摩擦力關(guān)于正壓力變化的圖像（也可通過Excel軟件實現(xiàn)）。

3? DIS系統(tǒng)在高中物理實驗的應(yīng)用案例與分析---以“探究影響物體滑動摩擦力大小的因素”片段教學(xué)為例

3.1? 教學(xué)內(nèi)容與學(xué)情分析

本片段教學(xué)選自魯科版物理必修1第四章第三節(jié)。

課標(biāo)要求：通過實驗認(rèn)識滑動摩擦力、靜摩擦力的規(guī)律，能用動摩擦因素計算摩擦力[ 2 ]。

結(jié)合教材與課標(biāo)分析：本節(jié)課是學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)初中摩擦力知識基礎(chǔ)上，通過初中的定性實驗探究得出影響摩擦力的兩個重要因素。本節(jié)課是在初中的基礎(chǔ)上，從更深層次角度入手，探究分析滑動摩擦力的產(chǎn)生條件、方向以及通過實際實驗得出滑動摩擦力大小的定量表達(dá)式。這對科學(xué)定量探究滑動摩擦力大小的影響因素，以及加強(qiáng)對滑動摩擦力大小公式等規(guī)律的理解，從而引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)思維的過程，樹立正確的科學(xué)觀念。

學(xué)生已有的知識結(jié)構(gòu)和能力水平：學(xué)生在知識上已經(jīng)學(xué)習(xí)了重力和彈力，掌握了研究某個力要從力的三要素入手的知識，這為科學(xué)探究滑動摩擦力的基本過程奠定了一定的基礎(chǔ)，在能力上具備一定的抽象概念的辨析、實驗觀察、數(shù)學(xué)理論分析和作圖等能力，但學(xué)生對于實驗數(shù)據(jù)處理以及如何運(yùn)用圖像分析現(xiàn)象存在一定的困難，這需要教師結(jié)合實驗與理論，引導(dǎo)幫助學(xué)生經(jīng)歷實驗過程、數(shù)據(jù)采集以及圖像分析等過程。

3.2? 教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合滑動摩擦力的概念和生活經(jīng)驗，知道滑動摩擦力的產(chǎn)生條件。經(jīng)歷自我探索和辨析過程，得出滑動摩擦力的方向。通過演示實驗的數(shù)據(jù)分析，得出滑動摩擦力大小與物體所受正壓力和物體接觸面的粗糙程度的定量關(guān)系，提高實驗與理論分析相結(jié)合的能力。

3.3? 教學(xué)策略分析

先結(jié)合DIS傳感器與多媒體設(shè)備，通過課堂演示實驗，引導(dǎo)每一位學(xué)生直觀地觀察到實驗現(xiàn)象，并將現(xiàn)場實驗過程所得到的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)合Excel繪制圖像，引領(lǐng)學(xué)生分析實驗圖像結(jié)果，得出實驗規(guī)律。幫助學(xué)生完整地經(jīng)歷探究定量實驗的過程，提高課堂效率，激發(fā)學(xué)習(xí)欲望，提高自主探究物理規(guī)律的能力。

3.4? 片段教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：實驗探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關(guān)

教師提問：了解完滑動摩擦力方向，結(jié)合初中的學(xué)習(xí)，請同學(xué)們回顧滑動摩擦力大小與哪些因素有關(guān)？這些因素能一起研究嗎？應(yīng)該采取什么方法研究？

學(xué)生猜想：與物體所受正壓力、接觸面積大小、和接觸面的粗糙程度有關(guān);不能;控制變量法。

教師介紹：探究滑動摩擦力實驗改進(jìn)裝置：如圖3。

①實驗室有帶拉環(huán)的小木塊和長木板、力學(xué)傳感器、細(xì)繩、砝碼、自制白紙?zhí)?

②將力學(xué)傳感器固定在實驗平臺上，并使它與小木塊連接，力學(xué)傳感器可以直接感應(yīng)出繩子拉力的大小并通過傳輸端將數(shù)據(jù)傳送到顯示屏幕上，這樣就可以很直觀地讀出繩子拉力的大小。

③通過更換白紙?zhí)?，實現(xiàn)木塊與接觸面粗糙程度的改變;通過增減砝碼來改變木塊與接觸面的正壓力;通過調(diào)整木塊的側(cè)面和底面，實現(xiàn)木塊與木板接觸面積大小的改變。

環(huán)節(jié)二：實驗探究當(dāng)物塊被拉動時所受摩擦力大小變化及觀察最大靜摩擦力

教師演示：如圖3所示，首先根據(jù)實驗方案把力學(xué)傳感器固定在支架上（課前已經(jīng)調(diào)整好位置并水平擺好實驗器材），接著將力學(xué)傳感器數(shù)據(jù)端接入多媒體設(shè)備，最后在多媒體設(shè)備上打開DIS軟件（可以觀察拉力動態(tài)變化）。

學(xué)生分析：如圖4和圖5所示，通過DIS軟件觀察到當(dāng)木板處于靜止?fàn)顟B(tài)和被拉動瞬間以及拉動過程，木塊所受摩擦力動態(tài)變化過程，根據(jù)屏幕上顯示的實時實驗圖景，學(xué)生自主上臺標(biāo)出三個階段摩擦力，并說出三個階段摩擦力變化的特點。

學(xué)生總結(jié)：對木塊受力分析，根據(jù)牛頓定律;當(dāng)無外力作用且木板處于靜止時，木塊所受摩擦力為零;當(dāng)有外力作用且木板處于被拉動瞬間（木板還沒動），當(dāng)木板給木塊的作用力增大時，木塊所受靜摩擦力也增大;當(dāng)有外力作用且木板被拉動時與木塊發(fā)生相對滑動，木塊所受滑動摩擦力大小不變;圖6中還可以觀察到木板從靜止到被拉動的過程中木塊所受靜摩擦力隨外力增大而增大，最終達(dá)到最大靜摩擦力后突變?yōu)榇笮》€(wěn)定的滑動摩擦力。

環(huán)節(jié)三：實驗探究木塊所受滑動摩擦力大小隨正壓力變化及公式推導(dǎo)

教師接著引導(dǎo)：滑動摩擦力大小與什么因素有關(guān)呢？

教師演示：

①木塊的接觸面為白紙，通過增減鉤碼改變木塊所受的正壓力大小，觀察木塊所受滑動摩擦力大小變化;

②木塊的接觸面為木板，通過增減鉤碼改變木塊所受的正壓力大小，觀察木塊所受滑動摩擦力大小變化，如圖7所示。

學(xué)生發(fā)現(xiàn)：如圖6和圖7所示，當(dāng)木塊與接觸面的粗糙程度不變時，增加木塊所受的正壓力，觀察到木塊所受的滑動摩擦力增大;保持木塊所受正壓力不變，增加木塊與接觸面的粗糙程度，觀察到木塊所受的滑動摩擦力增大。

最后教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析圖像中的物理量變化趨勢，推導(dǎo)物體滑動摩擦力大小的定量表達(dá)式。

3.5? 評價

本教學(xué)案例借助DIS系統(tǒng)中的力學(xué)傳感器直觀地測量物體的滑動摩擦力大小，實驗裝置簡單易操作，通過課堂演示增強(qiáng)學(xué)生對自主探究實驗的興趣，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，結(jié)合Excel軟件將實驗所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行實時擬合，極大提高了學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)處理以及分析能力，充分展現(xiàn)物理情景，激發(fā)學(xué)習(xí)欲望，培養(yǎng)學(xué)生自主探究物理規(guī)律的核心素養(yǎng)。

4? 總結(jié)

本文結(jié)合實際課堂教師演示實驗，提出簡單、易于操作的實驗方案。相比傳統(tǒng)用DIS系統(tǒng)探究滑動摩擦力大小方案，我們實驗方案不要借助皮帶傳動物體，采用手動方式也可達(dá)到良好的實驗效果，借助DIS系統(tǒng)在高中物理實驗教學(xué)中的實驗數(shù)據(jù)測量應(yīng)用進(jìn)行了案例分析，希望能夠激勵更多的年輕教師在成套實驗裝置面前勇于打破傳統(tǒng)，大膽提出有創(chuàng)意、又簡單、易于操作的實驗方案，促進(jìn)實驗教學(xué)。充分發(fā)揮DIS系統(tǒng)優(yōu)勢與高中物理實驗深度融合，提高教學(xué)效率。

5? 展望與建議

高中物理實驗教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察分析能力和探究物理規(guī)律能力。而實際課堂教學(xué)中演示實驗的機(jī)會少之又少，因此教師應(yīng)該重視物理實驗教學(xué)的重要性，想方設(shè)法讓學(xué)生體驗真實物理情景，借助DIS系統(tǒng)與真實物理情景教學(xué)深度融合激發(fā)學(xué)生的探究規(guī)律欲望。

本節(jié)課實驗的設(shè)計存在一些不足：可進(jìn)一步增大紙?zhí)椎拇植诔潭扔糜谠黾訉嶒灥膶Ρ刃浴?/p>

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