最大靜摩擦力的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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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(cè)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(duì)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(cè)力計(jì)

1問(wèn)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(duì)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(shí)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(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過(guò)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(shū)對(duì)這部分內(nèi)容的處理是利用彈簧測(cè)力計(jì)粗測(cè)最大靜摩擦力幫助學(xué)生形成感性認(rèn)識(shí)，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(guò)彈簧測(cè)力計(jì)只能測(cè)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(guò)彈簧測(cè)力計(jì)準(zhǔn)確得出數(shù)值，學(xué)生對(duì)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(cè)力計(jì)，測(cè)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(duì)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。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，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(cè)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(cè)量，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)，通過(guò)拉力反映摩擦力的大小。DISLab系統(tǒng)能將抽象的摩擦力的變化過(guò)程用圖像直觀的顯示出來(lái)，通過(guò)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(guò)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(guò)程

2.3.1測(cè)量最大靜摩擦力的大小

實(shí)驗(yàn)操作時(shí)打開(kāi)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(duì)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(kāi)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(lái)后停止記錄。系統(tǒng)可自動(dòng)生成該過(guò)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小。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(shū)中并沒(méi)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(guò)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，利用“其它處理”功能，可測(cè)得最大靜摩擦力的數(shù)值分別為1.290N、1.550N，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(cè)得最大靜摩擦力記為fm1。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(cè)量出木塊與鐵片兩者之間的最大靜摩擦力，記為fm2。為了方便比較，計(jì)算出這兩種情況的靜摩擦力因數(shù)。可得出木與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

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；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(shí)了滑動(dòng)摩擦力，但是對(duì)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(shí)開(kāi)始，用彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)木塊粗測(cè)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(cè)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(guò)對(duì)圖象進(jìn)行仔細(xì)的觀察以及細(xì)致的分析，能夠加深對(duì)實(shí)驗(yàn)特征的了解，幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)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(wú)法獨(dú)樹(shù)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(wú)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(guó)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.

作者：陳嘉妍 單位：閩南師范大學(xué)