基于Dis優(yōu)化“靜摩擦力”實驗設計

孫 濤

陜西省西安市經開第一中學(710018)

靜摩擦力是高中物理教學的難點。教學過程中，很多教師試圖通過自制實驗教具來研究靜摩擦力的大小及方向，設法將最大靜摩擦力現象記錄下來，但實驗效果都不是很理想。圍繞這個問題，筆者對教科書、教師教學用書、教師教學用書附帶光盤教學案例等不同出處的幾個摩擦力演示實驗教具進行對比分析，最后運用Dis數字實驗，描繪靜摩擦力隨時間的變化圖象，化抽象為直觀，很好地突破了最大靜摩擦力的教學難點。

1 實驗對比分析

1.1 人教版物理必修1第3章“相互作用”第3節(jié)摩擦力演示欄目

把木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉木塊，在拉力F增大到一定值之前，木塊不會運動。

在彈簧測力計的指針下輕塞1個小紙團，它可以隨指針移動，并可作為指針到達最大位置的標記。繼續(xù)用力，當拉力達到某一數值時，木塊開始移動，此時拉力會突然變小。實驗設計如圖1所示。

該實驗器材和操作都很簡單，通過紙團確實可以把最大靜摩擦力記錄下來。但由于實驗可見度小，教師在演示實驗時，只有前排的幾個同學能清晰地看見實驗現象，大多數同學是看不清楚的。因此作為課堂演示實驗難以收到良好的教學效果。

1.2 人教版教師教學用書附帶光盤教學案例“摩擦力”

人教版教師教學用書附帶光盤教學案例“摩擦力”中，安徽省馬鞍山市第二中學執(zhí)教老師沈秋發(fā)的演示實驗有許多亮點，筆者反復觀看教學視頻，發(fā)現在處理最大靜摩擦力教學時是慢之又慢，值得細細品味。筆者畫出實驗教具原理結構示意圖,如圖2所示。創(chuàng)新之處有2點：其一，彈簧測力計水平放置并固定在木塊上，避免了彈簧測力計與水平面之間的摩擦，并且投影機可將彈簧測力計指針示數放大呈現給學生，增強了實驗演示效果。其二，借助轉動手柄，實現木塊的緩慢運動，可以把木塊與木板之間由相對靜止變?yōu)橄鄬\動這一微妙的變化有效捕捉到。這樣的實驗處理不僅能較好地記錄了最大靜摩擦力，還使演示實驗的可見度大大提高，是執(zhí)教老師努力和智慧的結晶。

1.3 人教版物理必修1教師教學用書演示實驗

人教版物理必修1教師教學用書第87頁演示實驗3的設計思想如下：將木塊放在木板上，拉動木板，避免人時快時慢直接拉木塊所造成的實驗誤差，這一點在探究滑動摩擦力規(guī)律時尤為重要。另外，在木塊和木板相對靜止的位置做好標記符號，便于學生觀察木塊與木板之間何時由相對運動趨勢變?yōu)橄鄬\動，實驗原理示意圖如圖3所示。

1.4 自制實驗教具

有了對上述實驗的思考，筆者自制了1套摩擦力演示儀裝置，如圖4所示，原理示意圖如圖5所示。采用定滑輪將水平方向的力轉換為豎直方向上的力。另外，借助杠桿放大原理，將摩擦力的示數大小放大后顯示在豎直刻度盤上，增大實驗演示的可見度。該教具在滑動摩擦力規(guī)律探究時發(fā)揮了很大的演示效果，美中不足的是在記錄最大靜摩擦力方面仍然存在遺憾。通過進一步思考，可以在杠桿指針的一端固定白板筆的筆頭(保證筆頭與刻度盤之間的摩擦力很小)，這樣通過留跡法可以記錄靜摩擦力的最大值。為了實驗可重復操作，刻度盤表面可以張貼白板紙，這樣每次實驗完成后，指針痕跡可以擦掉。

1.5 Dis實驗系統

借助Dis實驗系統，可以把力的大小通過數值、指針、圖象的方式記錄下來并投影在屏幕上，增強實驗現象的可見度，尤其是圖象可以把力隨時間的變化記錄下來，突破了最大靜摩擦力難以記錄的難題。實驗中為了使接觸面足夠平整，采用絕緣膠木板替代圖3中的夾層板。設計轉動軸驅動木塊，使木塊和膠木板由相對靜止到相對運動這一細微變化放慢處理，這是實驗成功的關鍵。實驗裝置如圖6所示，實驗圖象如圖7所示。

2 反思與感悟

(1)運用傳統實驗器材完成演示實驗，取材方便，操作簡單，但是在某些物理教學難點上不能很好地突破。這里我們借助Dis實驗成功記錄了最大靜摩擦力的大小，有效突破教學難點，也解決了一直以來教師直接教給學生最大靜摩擦力比滑動摩擦力大一點的尷尬教學情景。

(2)本文涉及到的5套摩擦力實驗教具，各有優(yōu)點，從不同角度體現了教學設計者的良苦用心和創(chuàng)新構思。物理實驗教具的開發(fā)和研究，是一個艱辛的過程，每一步微小的變化和提升，都是設計者努力和智慧的結晶。我們不可否認在信息化、數字化飛速發(fā)展的今天，自制實驗教具仍然在物理教學中發(fā)揮著很大的作用，我們更能感受到數字化實驗系統在物理課程改革、思維觀念轉變、科學素養(yǎng)形成等方面帶來的巨大作用。

(3)隨著教學理念、教學方式與教學手段的不斷發(fā)展變化，在解決疑難問題的過程中需要借鑒和學習他人的研究成果。探索和實踐有利于物理實驗教學的實驗資源和操作策略，就需要我們進行深入地研究和創(chuàng)造。掌握和運用數字化實驗系統對新時期的教學工作者提出了更大的挑戰(zhàn)，唯有不斷地學習，才能迎接時代的挑戰(zhàn)。