王松濤

摘 ?要：利用數(shù)字化信息系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生開展影響滑動摩擦力大小的因素的實驗探究，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)事實破除學(xué)生先入為主的錯誤觀念，體驗科學(xué)探究的成功樂趣。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究;DIS;滑動摩擦力

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

摩擦力是高一力學(xué)知識中的重點，更是難點。學(xué)生對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誤認(rèn)識。如果在教學(xué)中直接給出相關(guān)結(jié)論，學(xué)生們被動地接受這些觀點就會如同無源之水、無本之木。以至于經(jīng)常會聽到老師們抱怨，這個問題我講了不下十遍，可學(xué)生還是會錯。這種獲取知識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過程中應(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)生一起開展影響滑動摩擦力大小的因素的實驗探究，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)事實破除學(xué)生的錯誤觀念，體驗科學(xué)探究的成功樂趣。

1 ? ?提出問題

滑動摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)呢？

2 ? ?猜想與假設(shè)

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

生：滑動摩擦力的大小可能與物體的運動速度、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：冰壺運動員推出冰壺后，冰壺滑行一段距離停了下來。在冰壺速度減小的過程中，你認(rèn)為滑動摩擦力的大小會怎樣變化呢？

生：會變大，因為冰壺受到的滑動摩擦力越來越大，冰壺的速度才會越來越小。

生：會變小，因為冰壺的速度越來越小，所以冰壺受到的滑動摩擦力越來越小。

生：不變，因為資料上答案如此。

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

師：經(jīng)過我們的思考與猜想，滑動摩擦力的大小可能與物體的運動速度、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，需要我們設(shè)計一個實驗來進(jìn)行探究。

3 ? ?制定計劃與設(shè)計實驗

3.1 ? ?實驗原理

二力平衡。

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

圖1 ?實驗原理圖

圖2 ?實驗裝置圖

3.2 ? ?實驗方法

控制變量法。

4 ? ?實驗過程

4.1 ? ?研究滑動摩擦力與物體運動速度的關(guān)系

4.1.1 ? ?進(jìn)行實驗與收集證據(jù)

實驗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)行實驗。

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

圖3 ? 慢速抽動木板原始數(shù)據(jù)

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

師：滑動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均勻平整。

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

圖4 ?慢速抽動木板分析數(shù)據(jù)

第二次快速抽動木板，記錄并分析數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 ?快速抽動木板分析數(shù)據(jù)

4.1.2 ? ?分析與論證

將分析數(shù)據(jù)錄入EXCEL表格，計算后得表1。

表1 ? ?滑動摩擦力的大小與速度關(guān)系

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

生：不對，因為實驗中會有各種偶然因素產(chǎn)生誤差。

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

4.1.3 ? ?評估

通過對實驗結(jié)果的分析與評估可得出第一個結(jié)論，滑動摩擦力的大小與物體運動的速度無關(guān)。

4.2 ? ?研究滑動摩擦力與接觸面積的關(guān)系

4.2.1 ? ?進(jìn)行實驗與收集證據(jù)

在4.1中已經(jīng)證明，滑動摩擦力的大小與物體運動速度無關(guān)，所以以下實驗中木板抽動的快慢不會影響實驗的結(jié)果。

本次實驗?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)行實驗，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摩擦力大小的平均值與本次實驗?zāi)緣K側(cè)面與毛巾接觸所得分析數(shù)據(jù)錄入EXCEL表格，計算后得表2。

表2 滑動摩擦力的大小與物體的接觸面積關(guān)系

4.2.3 ? 評估

通過對實驗結(jié)果的分析與評估可得出第二個結(jié)論，滑動摩擦力的大小與物體的接觸面積無關(guān)。

4.3 ? ?研究滑動摩擦力與接觸面間壓力的關(guān)系

4.3.1 ? 進(jìn)行實驗與收集證據(jù)

本次實驗?zāi)緣K仍然正面與毛巾接觸，分別在木塊表面添加一個重錘、兩個重錘、三個重錘、四個重錘，用電子臺秤測出木塊和添加重錘的質(zhì)量，計算出木塊對木板的壓力。

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

圖7 木塊表面添加一個重錘實驗分析數(shù)據(jù)

圖8 ?木塊表面添加兩個重錘實驗分析數(shù)據(jù)

圖9 木塊表面添加三個重錘實驗分析數(shù)據(jù)

圖10 ?木塊表面添加四個重錘實驗分析數(shù)據(jù)

將表1中單獨一個木塊正面與毛巾接觸得出的滑動摩擦力大小的平均值與本次實驗?zāi)緣K添加不同個數(shù)的重錘所得分析數(shù)據(jù)錄入EXCEL表格，計算后得表3。

表3 ?滑動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，得到滑動摩擦力的大小隨壓力變化的趨勢，如圖11。

圖11 ?滑動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結(jié)論：滑動摩擦力的大小與接觸面間的壓力成正比。

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

5 ? ?交流與合作

通過師生的交流與合作，學(xué)生們從實驗中自主地認(rèn)識到滑動摩擦力的大小與物體運動的速度無關(guān)，與接觸面積也無關(guān)，而與接觸面間的壓力成正比。初步了解到“先入為主”的觀點是錯誤的。

實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，實驗技術(shù)在不斷改進(jìn)。DIS具有獨特的數(shù)形結(jié)合功能和靈敏的測量儀器，利用DIS 不僅可以實時動態(tài)地測量，實驗數(shù)據(jù)的處理也更迅速準(zhǔn)確，而這種深入的體驗讓知識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、實踐體驗、合作交流提供了時間和空間，也必然會促進(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驗教學(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）