數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

湖北省武漢市新洲區(qū)第一中學(xué)(430400) 祝雙華

湖北省武漢市新洲區(qū)邾城街第一初級(jí)中學(xué)(430400) 吳旭東

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用逐步普及，物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)開(kāi)展。物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，有著實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、繪圖快捷無(wú)誤，易于分析歸納總結(jié)等優(yōu)勢(shì)。本文將以“用傳感器研究摩擦力”為例，將物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理積極性。

1 實(shí)驗(yàn)探究及操作過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

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

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

開(kāi)機(jī)(電腦)→菜單→北京友高教育→點(diǎn)擊物理→測(cè)量摩擦力→點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)窗口→點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)→摩擦力校零→開(kāi)始采集數(shù)據(jù)→打開(kāi)電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)→停止采集→取最大摩擦力→取平均摩擦力→填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告→存盤(pán)。

依次測(cè)量方木塊在皮帶上的摩擦力、方木塊上加1個(gè)10 g法碼在皮帶上的摩擦力、方木塊上加1個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)第1次實(shí)驗(yàn)材料為木材與橡膠，正壓力F=0.589 6 N。測(cè)出最大摩擦力fm=0.26 N，滑動(dòng)摩擦力f=0.13 N，滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.22。

(2)第2次實(shí)驗(yàn)材料為木材與橡膠，正壓力F=0.690 1 N。測(cè)出最大摩擦力fm=0.43 N，滑動(dòng)摩擦力f=0.16 N，滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.23。

(3)第3次實(shí)驗(yàn)材料為木材與橡膠，正壓力F=0.79 N。測(cè)出最大摩擦力fm=0.49 N，滑動(dòng)摩擦力f=0.21 N，滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.26。

(4)第4次實(shí)驗(yàn)材料為粘膠帶與橡膠，正壓力F= 0.592 2 N。測(cè)出最大摩擦力fm=0.40 N，滑動(dòng)摩擦力f=0.11 N，滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.19。

由條件知:N1(a)關(guān)于變量強(qiáng)單調(diào)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(shí)驗(yàn)材料為醫(yī)用膠布與橡膠，正壓力F=0.595 7 N。測(cè)出最大摩擦力fm=0.46 N，滑動(dòng)摩擦力f=0.27 N，滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.45。

2 對(duì)實(shí)驗(yàn)的討論

2.1 實(shí)驗(yàn)原理及公式

以水平勻速向右運(yùn)動(dòng)的皮帶為參照物，方木塊向左勻速直線運(yùn)動(dòng)，在水平方向上，細(xì)線的拉力與方木塊受到的摩擦力是一對(duì)平衡力。

實(shí)驗(yàn)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(chē)在皮帶上跑偏、翻轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定等情形，原因分析：①電動(dòng)摩擦測(cè)力計(jì)沒(méi)有水平放穩(wěn)；②組裝實(shí)驗(yàn)時(shí)，沒(méi)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(jié)論

師：同學(xué)們，我們?cè)谘芯炕瑒?dòng)摩擦力實(shí)驗(yàn)中，使用了怎樣的研究方法？又是怎樣運(yùn)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(lái)研究滑動(dòng)摩擦力。

師：回答很好，方木塊上的粘膠帶、醫(yī)用膠布質(zhì)量可忽略不計(jì)。請(qǐng)同學(xué)們依據(jù)傳統(tǒng)方法制定摩擦力與相關(guān)因數(shù)的表格，注意要通過(guò)摩擦因數(shù)來(lái)反映材料的粗糙程度。

學(xué)生設(shè)計(jì)的表格見(jiàn)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(xué)們的表格設(shè)計(jì)與制作得非常好。請(qǐng)根據(jù)表格分析歸納結(jié)論。

結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力與正壓力和摩擦材料的粗糙程度有關(guān)。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(shí)驗(yàn)誤差分析

師：實(shí)驗(yàn)中同學(xué)們發(fā)現(xiàn)了什么問(wèn)題？

生：小木塊運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力有波動(dòng)性，有時(shí)波動(dòng)性很大；每組的摩擦力f-t圖像不相同。

師：這就是實(shí)驗(yàn)誤差，請(qǐng)同學(xué)們分析一下誤差產(chǎn)生的原因(提示：觀察轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、皮帶運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性)。

生：①由于軸承有間隙，使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定而導(dǎo)致皮帶晃動(dòng)，使摩擦力呈現(xiàn)波動(dòng)性；②由于皮帶有彈性，所以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)皮帶有微小上下顛動(dòng)，摩擦力產(chǎn)生波動(dòng)性；③電機(jī)的震動(dòng)會(huì)影響摩擦力的波動(dòng)性。

2.5 本實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

(1)皮帶在水平方向能作持續(xù)的勻速運(yùn)動(dòng)，并能通過(guò)開(kāi)關(guān)旋鈕調(diào)節(jié)勻速運(yùn)動(dòng)的速度。

(2)將方木塊在運(yùn)動(dòng)中的摩擦力完整地記錄下來(lái)，即使是轉(zhuǎn)瞬即逝的信號(hào)也能記錄下來(lái)，比如開(kāi)始滑動(dòng)前的靜摩擦力的大小，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)靜摩擦力只能估讀(因?yàn)楹茈y確定恰好是運(yùn)動(dòng)前的摩擦力)。

(3)能記錄極其微小的摩擦力，精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位(0.01 N)，而彈簧測(cè)力計(jì)最小分度值(精確度)是0.05 N，微小的摩擦力用彈簧測(cè)力計(jì)是很難準(zhǔn)確測(cè)出的。

(4)通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兤絼蛩龠\(yùn)動(dòng)的速度來(lái)說(shuō)明水平運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力與物體運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)。這在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中很難驗(yàn)證的，拉動(dòng)方木塊慢了，造成滑動(dòng)不連續(xù)拉力會(huì)斷續(xù)變化，拉動(dòng)方木塊快了，會(huì)難以準(zhǔn)確讀出拉力值。

(5)可繪制摩擦力隨時(shí)間變化的函數(shù)圖像(見(jiàn)圖2)，能自動(dòng)計(jì)算平均摩擦力，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的。

圖2 f-t圖像

在用傳統(tǒng)方法測(cè)量摩擦力時(shí)，如果拉力拉快了，彈簧測(cè)力計(jì)指針一晃而過(guò)，無(wú)法讀數(shù)；如果拉力拉慢了，彈簧測(cè)力計(jì)指針前后擺動(dòng)，很難固定，有一種晃晃忽忽的感覺(jué)，讀出的拉力好像似是而非，而且是估讀缺乏真實(shí)感，難以令人信服。而用力的傳感器測(cè)量摩擦力，能顯示物體滑動(dòng)時(shí)拉力在各點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)，而且精確，測(cè)出的摩擦力實(shí)實(shí)在在真實(shí)可信。隨著一幅幅f-t圖像在屏幕上出現(xiàn)，學(xué)生們綻開(kāi)了一張張幸福的笑臉，這種內(nèi)在的喜悅必然會(huì)轉(zhuǎn)化成外在的動(dòng)力，學(xué)生自然會(huì)產(chǎn)生樂(lè)學(xué)的激情，進(jìn)而由樂(lè)學(xué)轉(zhuǎn)化成愛(ài)學(xué)的動(dòng)力。

2.6 進(jìn)一步探究與分析

師：同學(xué)們，我們知道理論上壓力和摩擦面粗糙程度不變時(shí)，物體水平運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力是不變的。現(xiàn)在我們拋開(kāi)實(shí)驗(yàn)誤差因素，每一組的摩擦力圖像f-t都是波動(dòng)的，即摩擦力是變化的，請(qǐng)同學(xué)們大膽地分析原因，可展開(kāi)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(shí)驗(yàn)中皮帶的運(yùn)動(dòng)難以保持絕對(duì)的水平，所以木塊對(duì)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(wú)論是皮帶還是方木塊底部看起來(lái)是一樣的平滑，實(shí)際用手摸，其粗糙程度是不同的，這也引起了滑動(dòng)摩擦力的改變。

師：同學(xué)們的分析得非常好。那么，請(qǐng)同學(xué)們像牛頓一樣，對(duì)滑動(dòng)摩擦力作進(jìn)一步的推理。

生：在壓力和摩擦面粗糙程度不變時(shí)，物體水平運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力不改變，只是一種理想狀態(tài)，在現(xiàn)實(shí)生活中并不存在，所以才出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)摩擦力的波動(dòng)性。

師：同學(xué)們這種推理非常正確。這就是發(fā)現(xiàn)，是你們自己通過(guò)努力得到的發(fā)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)中要敢于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、善于分析問(wèn)題、勇于質(zhì)疑規(guī)律，并尋求科學(xué)解釋。

2.7 引導(dǎo)學(xué)生理性認(rèn)識(shí)

本實(shí)驗(yàn)只有在充分掌握了摩擦力的理論知識(shí)和用傳統(tǒng)測(cè)量摩擦力的方法后，才能有效進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。如傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中必須水平拉測(cè)力計(jì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)才能使摩擦力大小等于拉力大小，因此，我們?cè)谶B接力的傳感器時(shí)，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(huì)跑偏、翻轉(zhuǎn)或卡停。

3 正確處理物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

3.1 物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有著傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。特別是物理演示實(shí)驗(yàn)，取材簡(jiǎn)單方便、易操作、更直觀、占地小。傳統(tǒng)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力、觀察能力、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力、收集信息和處理信息能力、基本制表制圖能力、實(shí)事求是的科學(xué)探究能力，都有著極大的促進(jìn)作用，能使學(xué)生獨(dú)立完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)技能。

3.2 物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

學(xué)生進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，要有一定的信息技術(shù)知識(shí)與技能作基礎(chǔ)，更重要的是要掌握所要完成物理實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)和熟練掌握用傳統(tǒng)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基本技能。因?yàn)椋瑑烧叩膶?shí)驗(yàn)組裝主要部件基本相同，實(shí)驗(yàn)原理和本質(zhì)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(dòng)、高效、連貫、準(zhǔn)確，能自動(dòng)記錄和繪圖，從而節(jié)省大量的時(shí)間。

物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不是孤立存在的，它與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是緊密相連的。它用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的原理和方法作指導(dǎo)，反過(guò)來(lái)又能豐富完善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的記錄、統(tǒng)計(jì)和制圖環(huán)節(jié)，使數(shù)據(jù)更精細(xì)、制圖更科學(xué)、歸納推理驗(yàn)證物理規(guī)律更直觀、更準(zhǔn)確，使學(xué)習(xí)輕松而具有樂(lè)趣。所以，它是將現(xiàn)代信息技術(shù)與物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，形成互補(bǔ)。物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不是弱化更不是摒棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效延伸和完善，更有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)。這好比你在使用計(jì)算器計(jì)算加減乘除時(shí)，你必須先會(huì)加減乘除的混合計(jì)算，更要會(huì)背誦乘法口決，否則不掌握傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)原理、基本技能，即使有最先進(jìn)的設(shè)備，當(dāng)遇到新的問(wèn)題，還是無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3 加強(qiáng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

在本實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)殡娔X描繪了摩擦力隨時(shí)間變化的f-t函數(shù)圖像，這給學(xué)生帶來(lái)了享受學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。當(dāng)一幅幅摩擦力隨時(shí)間變化的圖像出現(xiàn)在屏幕上時(shí)，同學(xué)們露出了興奮的笑臉；當(dāng)他們通過(guò)自己測(cè)得的數(shù)據(jù)制定表格、分析歸納出結(jié)論時(shí)，彰顯著喜悅的自豪。當(dāng)他們推理出理論上當(dāng)物體壓力與摩擦面粗糙程度不變時(shí)，在水平運(yùn)動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)摩擦力是不變的。這只是一種理想狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)生活中并不存在。這就是發(fā)現(xiàn)，原來(lái)成功離我們這么近，成功并不是可望而不可及的。體驗(yàn)了成功的快樂(lè)，學(xué)習(xí)的積極性得到了極大提高，可學(xué)、愿學(xué)、樂(lè)學(xué)的熱情高漲，學(xué)習(xí)情感得到了升華，愛(ài)學(xué)就此而形成。

因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中要鼓勵(lì)學(xué)生從教室走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室無(wú)法達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康臅r(shí)，應(yīng)到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行求證，以趨完善；利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步的探究，以利于對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)更加全面的理解和掌握；利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究物理教材中的小實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)活動(dòng)豐富多樣；利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)自動(dòng)制作圖像的特點(diǎn)與練習(xí)習(xí)題相結(jié)合，幫助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)難點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)以上豐富多樣的活動(dòng)，既能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，又能鍛煉學(xué)生動(dòng)手探究能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究習(xí)慣，提高學(xué)習(xí)能力。