利用DIS探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素

王松濤

摘 ?要：利用數(shù)字化信息系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素的實(shí)驗(yàn)探究，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)事實(shí)破除學(xué)生先入為主的錯(cuò)誤觀念，體驗(yàn)科學(xué)探究的成功樂(lè)趣。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;DIS;滑動(dòng)摩擦力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2015）1-0054-3

摩擦力是高一力學(xué)知識(shí)中的重點(diǎn)，更是難點(diǎn)。學(xué)生對(duì)摩擦力的理解存在許多似是而非的觀念和生活中先入為主的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。如果在教學(xué)中直接給出相關(guān)結(jié)論，學(xué)生們被動(dòng)地接受這些觀點(diǎn)就會(huì)如同無(wú)源之水、無(wú)本之木。以至于經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到老師們抱怨，這個(gè)問(wèn)題我講了不下十遍，可學(xué)生還是會(huì)錯(cuò)。這種獲取知識(shí)的方式看似快捷卻效率低下，而學(xué)生們更是失去了獲取知識(shí)過(guò)程中應(yīng)有的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄繎B(tài)度和科學(xué)的探究精神。

在滑動(dòng)摩擦力一節(jié)的教學(xué)中，筆者利用DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）引導(dǎo)學(xué)生一起開(kāi)展影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素的實(shí)驗(yàn)探究，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)事實(shí)破除學(xué)生的錯(cuò)誤觀念，體驗(yàn)科學(xué)探究的成功樂(lè)趣。

1 ? ?提出問(wèn)題

滑動(dòng)摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)呢？

2 ? ?猜想與假設(shè)

師：請(qǐng)同學(xué)們討論并猜想滑動(dòng)摩擦力的大小可能與哪些因素有關(guān)？

生：滑動(dòng)摩擦力的大小可能與物體的運(yùn)動(dòng)速度、物體與接觸面間的接觸面積、接觸面的粗糙程度和接觸面間的壓力有關(guān)。

師：冰壺運(yùn)動(dòng)員推出冰壺后，冰壺滑行一段距離停了下來(lái)。在冰壺速度減小的過(guò)程中，你認(rèn)為滑動(dòng)摩擦力的大小會(huì)怎樣變化呢？

生：會(huì)變大，因?yàn)楸鶋厥艿降幕瑒?dòng)摩擦力越來(lái)越大，冰壺的速度才會(huì)越來(lái)越小。

生：會(huì)變小，因?yàn)楸鶋氐乃俣仍絹?lái)越小，所以冰壺受到的滑動(dòng)摩擦力越來(lái)越小。

生：不變，因?yàn)橘Y料上答案如此。

學(xué)生的認(rèn)識(shí)帶有生活的體驗(yàn)，也有主觀的臆斷。試圖從理論上駁倒學(xué)生已有錯(cuò)誤觀念的努力通常會(huì)使學(xué)生陷入更大的困惑之中。

師：經(jīng)過(guò)我們的思考與猜想，滑動(dòng)摩擦力的大小可能與物體的運(yùn)動(dòng)速度、物體與接觸面間的接觸面積、接觸面的粗糙程度和接觸面間的壓力有關(guān)。但究竟有什么樣的關(guān)系，需要我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究。

3 ? ?制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

3.1 ? ?實(shí)驗(yàn)原理

二力平衡。

如圖1，在抽出木板的過(guò)程中木塊靜止，故彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)就等于木塊所受摩擦力的大小。但是在抽出木板的過(guò)程中，彈簧測(cè)力計(jì)的指針會(huì)有晃動(dòng)，不便于讀數(shù)。我們采用力的傳感器代替彈簧測(cè)力計(jì)，利用DIS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2。

圖1 ?實(shí)驗(yàn)原理圖

圖2 ?實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 ? ?實(shí)驗(yàn)方法

控制變量法。

4 ? ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.1 ? ?研究滑動(dòng)摩擦力與物體運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系

4.1.1 ? ?進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)

實(shí)驗(yàn)中木板表面用毛巾包裹固定，木塊正面與毛巾接觸。 在接觸面積、接觸面性質(zhì)、接觸面間的壓力一定的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

打開(kāi)DIS中相應(yīng)軟件，第一次慢速抽動(dòng)木板，電腦記錄下原始數(shù)據(jù)（如圖3）。

圖3 ? 慢速抽動(dòng)木板原始數(shù)據(jù)

從圖3中可以明顯看出，木塊相對(duì)于木板將要滑動(dòng)時(shí)所受的最大靜摩擦力略大于木塊相對(duì)于木板滑動(dòng)時(shí)所受的滑動(dòng)摩擦力，木塊所受的滑動(dòng)摩擦力的大小比較穩(wěn)定，但有微小起伏。

師：滑動(dòng)摩擦力大小變化的原因是什么呢？

生：木塊與毛巾的接觸面并非絕對(duì)均勻平整。

利用DIS軟件選取滑動(dòng)摩擦力大小比較穩(wěn)定部分取平均值得到分析數(shù)據(jù)（如圖4）。

圖4 ?慢速抽動(dòng)木板分析數(shù)據(jù)

第二次快速抽動(dòng)木板，記錄并分析數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 ?快速抽動(dòng)木板分析數(shù)據(jù)

4.1.2 ? ?分析與論證

將分析數(shù)據(jù)錄入EXCEL表格，計(jì)算后得表1。

表1 ? ?滑動(dòng)摩擦力的大小與速度關(guān)系

師：兩次滑動(dòng)摩擦力的大小并不相同，于是我們得出滑動(dòng)摩擦力的大小與速度有關(guān)的結(jié)論對(duì)嗎？

生：不對(duì)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中會(huì)有各種偶然因素產(chǎn)生誤差。

師：如果兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于5%，我們就可以認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，兩次的滑動(dòng)摩擦力大小相等。

4.1.3 ? ?評(píng)估

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與評(píng)估可得出第一個(gè)結(jié)論，滑動(dòng)摩擦力的大小與物體運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)。

4.2 ? ?研究滑動(dòng)摩擦力與接觸面積的關(guān)系

4.2.1 ? ?進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)

在4.1中已經(jīng)證明，滑動(dòng)摩擦力的大小與物體運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，所以以下實(shí)驗(yàn)中木板抽動(dòng)的快慢不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)緣K側(cè)面與毛巾接觸。在接觸面性質(zhì)、接觸面間的壓力一定的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄并分析數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 ?木塊側(cè)面與毛巾接觸分析數(shù)據(jù)

4.2.2 ? ?分析與論證

將表1中木塊正面與毛巾接觸得出的滑動(dòng)摩擦力大小的平均值與本次實(shí)驗(yàn)?zāi)緣K側(cè)面與毛巾接觸所得分析數(shù)據(jù)錄入EXCEL表格，計(jì)算后得表2。

表2 滑動(dòng)摩擦力的大小與物體的接觸面積關(guān)系

4.2.3 ? 評(píng)估

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與評(píng)估可得出第二個(gè)結(jié)論，滑動(dòng)摩擦力的大小與物體的接觸面積無(wú)關(guān)。

4.3 ? ?研究滑動(dòng)摩擦力與接觸面間壓力的關(guān)系

4.3.1 ? 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)緣K仍然正面與毛巾接觸，分別在木塊表面添加一個(gè)重錘、兩個(gè)重錘、三個(gè)重錘、四個(gè)重錘，用電子臺(tái)秤測(cè)出木塊和添加重錘的質(zhì)量，計(jì)算出木塊對(duì)木板的壓力。

各次實(shí)驗(yàn)在接觸面積、接觸面性質(zhì)一定的條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)記錄并分析如圖7～10。

圖7 木塊表面添加一個(gè)重錘實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)

圖8 ?木塊表面添加兩個(gè)重錘實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)

圖9 木塊表面添加三個(gè)重錘實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)

圖10 ?木塊表面添加四個(gè)重錘實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)

將表1中單獨(dú)一個(gè)木塊正面與毛巾接觸得出的滑動(dòng)摩擦力大小的平均值與本次實(shí)驗(yàn)?zāi)緣K添加不同個(gè)數(shù)的重錘所得分析數(shù)據(jù)錄入EXCEL表格，計(jì)算后得表3。

表3 ?滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面間壓力的關(guān)系

利用EXCEL的插入圖像功能，得到滑動(dòng)摩擦力的大小隨壓力變化的趨勢(shì)，如圖11。

圖11 ?滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面間壓力的關(guān)系

經(jīng)圖像分析可得出第三個(gè)結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面間的壓力成正比。

學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可順利得出滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度有關(guān)，接觸面越粗糙，物體所受滑動(dòng)摩擦力越大的結(jié)論。

5 ? ?交流與合作

通過(guò)師生的交流與合作，學(xué)生們從實(shí)驗(yàn)中自主地認(rèn)識(shí)到滑動(dòng)摩擦力的大小與物體運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)，與接觸面積也無(wú)關(guān)，而與接觸面間的壓力成正比。初步了解到“先入為主”的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)技術(shù)在不斷改進(jìn)。DIS具有獨(dú)特的數(shù)形結(jié)合功能和靈敏的測(cè)量?jī)x器，利用DIS 不僅可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理也更迅速準(zhǔn)確，而這種深入的體驗(yàn)讓知識(shí)不再只是一種單純的結(jié)果[1]。現(xiàn)代科技與科學(xué)的探究方法為新課標(biāo)所倡導(dǎo)的自主探究、實(shí)踐體驗(yàn)、合作交流提供了時(shí)間和空間，也必然會(huì)促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)化，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]余雪妹.傳感器在高中物理新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與思考[J].物理教學(xué)探討，2011，（2）：70.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）