湖北省武漢市新洲區(qū)第一中學(430400) 祝雙華

湖北省武漢市新洲區(qū)邾城街第一初級中學(430400) 吳旭東

隨著信息技術的發(fā)展，信息技術在課堂教學中的應用逐步普及，物理數(shù)字化實驗教學在物理實驗教學中已經(jīng)開展。物理數(shù)字化實驗教學與傳統(tǒng)實驗教學相比，有著實驗操作簡單、采集數(shù)據(jù)準確、繪圖快捷無誤，易于分析歸納總結等優(yōu)勢。本文將以“用傳感器研究摩擦力”為例，將物理數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗相結合，培養(yǎng)學生學習物理積極性。

1 實驗探究及操作過程

1.1 實驗器材

電動摩擦測力器、力傳感器、電腦顯示屏、鐵架臺、粘膠帶、醫(yī)用膠布、電子天平。

1.2 實驗裝置圖

1.3 實驗過程

開機(電腦)→菜單→北京友高教育→點擊物理→測量摩擦力→點擊實驗窗口→點擊實驗指導→摩擦力校零→開始采集數(shù)據(jù)→打開電動機開關→停止采集→取最大摩擦力→取平均摩擦力→填寫實驗報告→存盤。

依次測量方木塊在皮帶上的摩擦力、方木塊上加1個10 g法碼在皮帶上的摩擦力、方木塊上加1個20 g法碼在皮帶上的摩擦力、方木塊底部貼粘膠帶在皮帶上的摩擦力、方木塊底部貼醫(yī)用膠布在皮帶上的摩擦力。

1.4 實驗結果

(1)第1次實驗材料為木材與橡膠，正壓力F=0.589 6 N。測出最大摩擦力fm=0.26 N，滑動摩擦力f=0.13 N，滑動摩擦因數(shù)μ=0.22。

(2)第2次實驗材料為木材與橡膠，正壓力F=0.690 1 N。測出最大摩擦力fm=0.43 N，滑動摩擦力f=0.16 N，滑動摩擦因數(shù)μ=0.23。

(3)第3次實驗材料為木材與橡膠，正壓力F=0.79 N。測出最大摩擦力fm=0.49 N，滑動摩擦力f=0.21 N，滑動摩擦因數(shù)μ=0.26。

(4)第4次實驗材料為粘膠帶與橡膠，正壓力F= 0.592 2 N。測出最大摩擦力fm=0.40 N，滑動摩擦力f=0.11 N，滑動摩擦因數(shù)μ=0.19。

由條件知:N1(a)關于變量強單調和Lipschitz連續(xù)[3，4，9]，常數(shù)分別為 α，β，A(u)是 Lipschitz 連續(xù)，常數(shù)為，則有λA

(5)第5次實驗材料為醫(yī)用膠布與橡膠，正壓力F=0.595 7 N。測出最大摩擦力fm=0.46 N，滑動摩擦力f=0.27 N，滑動摩擦因數(shù)μ=0.45。

2 對實驗的討論

2.1 實驗原理及公式

以水平勻速向右運動的皮帶為參照物，方木塊向左勻速直線運動，在水平方向上，細線的拉力與方木塊受到的摩擦力是一對平衡力。

實驗公式：G=mg(g=10 N/kg),f=μF(F正壓力，μ為摩擦因數(shù)，μ越大表示材料的粗糙程度越大)。

2.2 故障分析

有的小組出現(xiàn)小車在皮帶上跑偏、翻轉、運動不穩(wěn)定等情形，原因分析：①電動摩擦測力計沒有水平放穩(wěn)；②組裝實驗時，沒有做到直線性、平行性，即力的傳感器要與方木塊在一條直線上且與皮帶保持水平平行。

2.3 分析歸納結論

師：同學們，我們在研究滑動摩擦力實驗中，使用了怎樣的研究方法？又是怎樣運用這種方法的？

生：控制變量法。首先，控制摩擦材料粗糙程度不變，改變壓力。然后，控制壓力不變，改變不同的摩擦材料來研究滑動摩擦力。

師：回答很好，方木塊上的粘膠帶、醫(yī)用膠布質量可忽略不計。請同學們依據(jù)傳統(tǒng)方法制定摩擦力與相關因數(shù)的表格，注意要通過摩擦因數(shù)來反映材料的粗糙程度。

學生設計的表格見表1、2。

表1 摩擦面材料相同

表2 正壓力相同(F=0.59 N)

師：同學們的表格設計與制作得非常好。請根據(jù)表格分析歸納結論。

結論：滑動摩擦力與正壓力和摩擦材料的粗糙程度有關。正壓力越大，摩擦力越大；摩擦材料越粗糙，摩擦力越大。

2.4 實驗誤差分析

師：實驗中同學們發(fā)現(xiàn)了什么問題？

生：小木塊運動時摩擦力有波動性，有時波動性很大；每組的摩擦力f-t圖像不相同。

師：這就是實驗誤差，請同學們分析一下誤差產(chǎn)生的原因(提示：觀察轉軸的轉動、皮帶運動的穩(wěn)定性)。

生：①由于軸承有間隙，使轉軸轉動不穩(wěn)定而導致皮帶晃動，使摩擦力呈現(xiàn)波動性；②由于皮帶有彈性，所以轉動時皮帶有微小上下顛動，摩擦力產(chǎn)生波動性；③電機的震動會影響摩擦力的波動性。

2.5 本實驗優(yōu)點

(1)皮帶在水平方向能作持續(xù)的勻速運動，并能通過開關旋鈕調節(jié)勻速運動的速度。

(2)將方木塊在運動中的摩擦力完整地記錄下來，即使是轉瞬即逝的信號也能記錄下來，比如開始滑動前的靜摩擦力的大小，而傳統(tǒng)實驗時靜摩擦力只能估讀(因為很難確定恰好是運動前的摩擦力)。

(3)能記錄極其微小的摩擦力，精確到小數(shù)點后兩位(0.01 N)，而彈簧測力計最小分度值(精確度)是0.05 N，微小的摩擦力用彈簧測力計是很難準確測出的。

(4)通過調節(jié)轉速從而改變皮帶水平勻速運動的速度來說明水平運動的滑動摩擦力與物體運動的速度無關。這在傳統(tǒng)實驗中很難驗證的，拉動方木塊慢了，造成滑動不連續(xù)拉力會斷續(xù)變化，拉動方木塊快了，會難以準確讀出拉力值。

(5)可繪制摩擦力隨時間變化的函數(shù)圖像(見圖2)，能自動計算平均摩擦力，這是傳統(tǒng)實驗無法比擬的。

圖2 f-t圖像

在用傳統(tǒng)方法測量摩擦力時，如果拉力拉快了，彈簧測力計指針一晃而過，無法讀數(shù)；如果拉力拉慢了，彈簧測力計指針前后擺動，很難固定，有一種晃晃忽忽的感覺，讀出的拉力好像似是而非，而且是估讀缺乏真實感，難以令人信服。而用力的傳感器測量摩擦力，能顯示物體滑動時拉力在各點的圖像數(shù)據(jù)，而且精確，測出的摩擦力實實在在真實可信。隨著一幅幅f-t圖像在屏幕上出現(xiàn)，學生們綻開了一張張幸福的笑臉，這種內在的喜悅必然會轉化成外在的動力，學生自然會產(chǎn)生樂學的激情，進而由樂學轉化成愛學的動力。

2.6 進一步探究與分析

師：同學們，我們知道理論上壓力和摩擦面粗糙程度不變時，物體水平運動的滑動摩擦力是不變的?，F(xiàn)在我們拋開實驗誤差因素，每一組的摩擦力圖像f-t都是波動的，即摩擦力是變化的，請同學們大膽地分析原因，可展開討論(提示：從物體在什么情況下壓力等于重力，摩擦材料的平整度等角度去考慮)。

生：①實驗中皮帶的運動難以保持絕對的水平，所以木塊對皮帶的壓力并不總等于木塊的重力，壓力是變化的，引起了摩擦力的變化；②無論是皮帶還是方木塊底部看起來是一樣的平滑，實際用手摸，其粗糙程度是不同的，這也引起了滑動摩擦力的改變。

師：同學們的分析得非常好。那么，請同學們像牛頓一樣，對滑動摩擦力作進一步的推理。

生：在壓力和摩擦面粗糙程度不變時，物體水平運動的滑動摩擦力不改變，只是一種理想狀態(tài)，在現(xiàn)實生活中并不存在，所以才出現(xiàn)實驗中滑動摩擦力的波動性。

師：同學們這種推理非常正確。這就是發(fā)現(xiàn)，是你們自己通過努力得到的發(fā)現(xiàn)。在實驗中要敢于發(fā)現(xiàn)問題、善于分析問題、勇于質疑規(guī)律，并尋求科學解釋。

2.7 引導學生理性認識

本實驗只有在充分掌握了摩擦力的理論知識和用傳統(tǒng)測量摩擦力的方法后，才能有效進行數(shù)字化實驗。如傳統(tǒng)實驗中必須水平拉測力計作勻速直線運動才能使摩擦力大小等于拉力大小，因此，我們在連接力的傳感器時，傳感器與方木塊要在水平直線上且與皮帶保持平行，才能使摩擦力等于傳感器的拉力。而且方木塊在皮帶上不會跑偏、翻轉或卡停。

3 正確處理物理數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的關系

3.1 物理傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢

傳統(tǒng)實驗有著傳統(tǒng)優(yōu)勢。特別是物理演示實驗，取材簡單方便、易操作、更直觀、占地小。傳統(tǒng)學生分組實驗對培養(yǎng)學生動手操作能力、觀察能力、分析問題、解決問題能力、收集信息和處理信息能力、基本制表制圖能力、實事求是的科學探究能力，都有著極大的促進作用，能使學生獨立完成整個實驗過程，培養(yǎng)了學生良好的實驗技能。

3.2 物理數(shù)字化實驗與物理傳統(tǒng)實驗的關系

學生進行數(shù)字化實驗，要有一定的信息技術知識與技能作基礎，更重要的是要掌握所要完成物理實驗的理論知識和熟練掌握用傳統(tǒng)方法進行實驗的基本技能。因為，兩者的實驗組裝主要部件基本相同，實驗原理和本質相同，只是采集數(shù)據(jù)的方式不同，后者采集數(shù)據(jù)自動、高效、連貫、準確，能自動記錄和繪圖，從而節(jié)省大量的時間。

物理數(shù)字化實驗不是孤立存在的，它與傳統(tǒng)實驗是緊密相連的。它用傳統(tǒng)實驗的原理和方法作指導，反過來又能豐富完善傳統(tǒng)實驗教學的記錄、統(tǒng)計和制圖環(huán)節(jié)，使數(shù)據(jù)更精細、制圖更科學、歸納推理驗證物理規(guī)律更直觀、更準確，使學習輕松而具有樂趣。所以，它是將現(xiàn)代信息技術與物理傳統(tǒng)實驗的有機結合，形成互補。物理數(shù)字化實驗不是弱化更不是摒棄傳統(tǒng)實驗，而是對傳統(tǒng)實驗的有效延伸和完善，更有利于學生的學習。這好比你在使用計算器計算加減乘除時，你必須先會加減乘除的混合計算，更要會背誦乘法口決，否則不掌握傳統(tǒng)物理實驗原理、基本技能，即使有最先進的設備，當遇到新的問題，還是無法進行實驗。

3.3 加強數(shù)字化實驗教學，提高學生學習積極性

在本實驗中，因為電腦描繪了摩擦力隨時間變化的f-t函數(shù)圖像，這給學生帶來了享受學習的樂趣。當一幅幅摩擦力隨時間變化的圖像出現(xiàn)在屏幕上時，同學們露出了興奮的笑臉；當他們通過自己測得的數(shù)據(jù)制定表格、分析歸納出結論時，彰顯著喜悅的自豪。當他們推理出理論上當物體壓力與摩擦面粗糙程度不變時，在水平運動時的滑動摩擦力是不變的。這只是一種理想狀態(tài)，現(xiàn)實生活中并不存在。這就是發(fā)現(xiàn)，原來成功離我們這么近，成功并不是可望而不可及的。體驗了成功的快樂，學習的積極性得到了極大提高，可學、愿學、樂學的熱情高漲，學習情感得到了升華，愛學就此而形成。

因此，我們在實驗教學中要鼓勵學生從教室走進實驗室，從實驗室走進數(shù)字化實驗室。當在實驗室無法達到實驗目的時，應到數(shù)字化實驗室進行求證，以趨完善；利用數(shù)字化實驗對學生實驗作進一步的探究，以利于對相關知識點更加全面的理解和掌握；利用數(shù)字化實驗探究物理教材中的小實驗，學習活動豐富多樣；利用數(shù)字化實驗自動制作圖像的特點與練習習題相結合，幫助學生理解相關知識難點問題。通過以上豐富多樣的活動，既能調動學生的學習積極性，又能鍛煉學生動手探究能力，培養(yǎng)學生科學探究習慣，提高學習能力。