基于DIS探究物體滑動摩擦力大小

丁宗星

摘? ?要：簡單介紹了DIS系統的原理構造和使用方法，并結合實際的課堂實驗案例展示了如何基于DIS系統來直觀地測量物體的滑動摩擦力大小，實驗方案器材簡單、易于操作，通過Excel軟件對實驗數據結果進行數值擬合，實驗現象良好，實驗誤差較小，更加生動形象地揭示了各物理量之間線性關系，有助于學生對公式形成理解性的記憶，充分展現物理情境，激發學習欲望，培養學生自主探究物理規律的核心素養。

關鍵詞：DIS系統;高中物理;Excel;滑動摩擦力

引言

隨著時代的進步，DIS系統在教育領域中作為教育教學測量工具，已被廣泛應用在各學科實驗探究采集數據以及數據處理，然而大部分教師只把它結合成套的實驗裝置固定教學演示，所得實驗效果不是很理想，實驗方案、器材存在缺陷無法實現多組分類探究實驗，造成教學資源的浪費，因此如何利用DIS系統致力于實驗物理教學的相關研究成為廣泛討論的問題。結合實際課堂教師演示實驗，提出簡單、易于操作的實驗方案，借助DIS系統在高中物理實驗教學中的實驗數據測量應用進行了案例分析，希望能夠激勵更多的年輕教師在成套實驗裝置面前勇于打破傳統，大膽提出有創意、又簡單可行的實驗方案，促進實驗教學。

1? 物理實驗DIS系統組成

DIS系統全稱數字化信息系統，而物理實驗DIS系統主要圖形計算器實驗系統儀器和計算機輔助實驗儀器所構成。物理教學通常使用計算機輔助實驗儀器，其中包括計算機、測量傳感器、數據連接線和計算機軟件[ 1-3 ]。

2? 物理實驗DIS系統的測量傳感器

高中物理實驗DIS系統的常見測量傳感器主要：位移傳感器、聲波傳感器電學、電學傳感器、力學傳感器等等，本文主要涉及到的傳感器是力學傳感器用于間接測量物塊的滑動摩擦力[ 3 ][ 4 ]。

2.1? 電腦軟件安裝

通過相關步驟安裝DISLab 8.0 軟件，當正確安裝完軟件后，在電腦桌面上出現如圖1所示的軟件界面。然后雙擊該軟件彈出目錄頁面，通過選擇相應的測量摩擦力模塊并點擊。

2.2? 數據采集步驟

采集器有四個通道可以同步采集、處理和顯示數據。數據采集器可通過接插有線或無線模塊改變與傳感器的通訊方式，從而實現四路無線采集。本文實驗數據采集器選擇接插有線方式。在點擊測量摩擦力模塊之后桌面會顯示如圖2所示界面，測量數據之間先對傳感器調零，再點擊開始記錄按鈕開始實驗記錄，持續一段時間后點擊停止記錄按鈕，通過單擊選擇區域按鈕來測量本次實驗數據摩擦力大小[ 3 ][ 4 ]。

通過點擊直線擬合按鈕將所測得摩擦力大小數據進行圖像擬合，可得到摩擦力關于時間變化的圖像，再點擊擬合按鈕轉化得到摩擦力關于正壓力變化的圖像（也可通過Excel軟件實現）。

3? DIS系統在高中物理實驗的應用案例與分析---以“探究影響物體滑動摩擦力大小的因素”片段教學為例

3.1? 教學內容與學情分析

本片段教學選自魯科版物理必修1第四章第三節。

課標要求：通過實驗認識滑動摩擦力、靜摩擦力的規律，能用動摩擦因素計算摩擦力[ 2 ]。

結合教材與課標分析：本節課是學生已經學習初中摩擦力知識基礎上，通過初中的定性實驗探究得出影響摩擦力的兩個重要因素。本節課是在初中的基礎上，從更深層次角度入手，探究分析滑動摩擦力的產生條件、方向以及通過實際實驗得出滑動摩擦力大小的定量表達式。這對科學定量探究滑動摩擦力大小的影響因素，以及加強對滑動摩擦力大小公式等規律的理解，從而引導學生經歷科學思維的過程，樹立正確的科學觀念。

學生已有的知識結構和能力水平：學生在知識上已經學習了重力和彈力，掌握了研究某個力要從力的三要素入手的知識，這為科學探究滑動摩擦力的基本過程奠定了一定的基礎，在能力上具備一定的抽象概念的辨析、實驗觀察、數學理論分析和作圖等能力，但學生對于實驗數據處理以及如何運用圖像分析現象存在一定的困難，這需要教師結合實驗與理論，引導幫助學生經歷實驗過程、數據采集以及圖像分析等過程。

3.2? 教學目標

結合滑動摩擦力的概念和生活經驗，知道滑動摩擦力的產生條件。經歷自我探索和辨析過程，得出滑動摩擦力的方向。通過演示實驗的數據分析，得出滑動摩擦力大小與物體所受正壓力和物體接觸面的粗糙程度的定量關系，提高實驗與理論分析相結合的能力。

3.3? 教學策略分析

先結合DIS傳感器與多媒體設備，通過課堂演示實驗，引導每一位學生直觀地觀察到實驗現象，并將現場實驗過程所得到的實驗數據進行數據處理結合Excel繪制圖像，引領學生分析實驗圖像結果，得出實驗規律。幫助學生完整地經歷探究定量實驗的過程，提高課堂效率，激發學習欲望，提高自主探究物理規律的能力。

3.4? 片段教學過程

環節一：實驗探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關

教師提問：了解完滑動摩擦力方向，結合初中的學習，請同學們回顧滑動摩擦力大小與哪些因素有關？這些因素能一起研究嗎？應該采取什么方法研究？

學生猜想：與物體所受正壓力、接觸面積大小、和接觸面的粗糙程度有關;不能;控制變量法。

教師介紹：探究滑動摩擦力實驗改進裝置：如圖3。

①實驗室有帶拉環的小木塊和長木板、力學傳感器、細繩、砝碼、自制白紙套;

②將力學傳感器固定在實驗平臺上，并使它與小木塊連接，力學傳感器可以直接感應出繩子拉力的大小并通過傳輸端將數據傳送到顯示屏幕上，這樣就可以很直觀地讀出繩子拉力的大小。

③通過更換白紙套，實現木塊與接觸面粗糙程度的改變;通過增減砝碼來改變木塊與接觸面的正壓力;通過調整木塊的側面和底面，實現木塊與木板接觸面積大小的改變。

環節二：實驗探究當物塊被拉動時所受摩擦力大小變化及觀察最大靜摩擦力

教師演示：如圖3所示，首先根據實驗方案把力學傳感器固定在支架上（課前已經調整好位置并水平擺好實驗器材），接著將力學傳感器數據端接入多媒體設備，最后在多媒體設備上打開DIS軟件（可以觀察拉力動態變化）。

學生分析：如圖4和圖5所示，通過DIS軟件觀察到當木板處于靜止狀態和被拉動瞬間以及拉動過程，木塊所受摩擦力動態變化過程，根據屏幕上顯示的實時實驗圖景，學生自主上臺標出三個階段摩擦力，并說出三個階段摩擦力變化的特點。

學生總結：對木塊受力分析，根據牛頓定律;當無外力作用且木板處于靜止時，木塊所受摩擦力為零;當有外力作用且木板處于被拉動瞬間（木板還沒動），當木板給木塊的作用力增大時，木塊所受靜摩擦力也增大;當有外力作用且木板被拉動時與木塊發生相對滑動，木塊所受滑動摩擦力大小不變;圖6中還可以觀察到木板從靜止到被拉動的過程中木塊所受靜摩擦力隨外力增大而增大，最終達到最大靜摩擦力后突變為大小穩定的滑動摩擦力。

環節三：實驗探究木塊所受滑動摩擦力大小隨正壓力變化及公式推導

教師接著引導：滑動摩擦力大小與什么因素有關呢？

教師演示：

①木塊的接觸面為白紙，通過增減鉤碼改變木塊所受的正壓力大小，觀察木塊所受滑動摩擦力大小變化;

②木塊的接觸面為木板，通過增減鉤碼改變木塊所受的正壓力大小，觀察木塊所受滑動摩擦力大小變化，如圖7所示。

學生發現：如圖6和圖7所示，當木塊與接觸面的粗糙程度不變時，增加木塊所受的正壓力，觀察到木塊所受的滑動摩擦力增大;保持木塊所受正壓力不變，增加木塊與接觸面的粗糙程度，觀察到木塊所受的滑動摩擦力增大。

最后教師進一步引導學生分析圖像中的物理量變化趨勢，推導物體滑動摩擦力大小的定量表達式。

3.5? 評價

本教學案例借助DIS系統中的力學傳感器直觀地測量物體的滑動摩擦力大小，實驗裝置簡單易操作，通過課堂演示增強學生對自主探究實驗的興趣，有助于激發學生的學習興趣，結合Excel軟件將實驗所測得數據進行實時擬合，極大提高了學生對實驗數據處理以及分析能力，充分展現物理情景，激發學習欲望，培養學生自主探究物理規律的核心素養。

4? 總結

本文結合實際課堂教師演示實驗，提出簡單、易于操作的實驗方案。相比傳統用DIS系統探究滑動摩擦力大小方案，我們實驗方案不要借助皮帶傳動物體，采用手動方式也可達到良好的實驗效果，借助DIS系統在高中物理實驗教學中的實驗數據測量應用進行了案例分析，希望能夠激勵更多的年輕教師在成套實驗裝置面前勇于打破傳統，大膽提出有創意、又簡單、易于操作的實驗方案，促進實驗教學。充分發揮DIS系統優勢與高中物理實驗深度融合，提高教學效率。

5? 展望與建議

高中物理實驗教學有助于培養學生的觀察分析能力和探究物理規律能力。而實際課堂教學中演示實驗的機會少之又少，因此教師應該重視物理實驗教學的重要性，想方設法讓學生體驗真實物理情景，借助DIS系統與真實物理情景教學深度融合激發學生的探究規律欲望。

本節課實驗的設計存在一些不足：可進一步增大紙套的粗糙程度用于增加實驗的對比性。

參考文獻：

[1] 馬如宇，卓敏.DIS數字化信息系統在中學物理實驗教學中的應用研究[J]. 中國現代教育裝備， 2010（8）：3.

[2] 束炳如，何潤偉.普通高中課程標準實驗教科書物理：必修1：教師用書[M]. 上海：上海科技教育出版社， 2004.

[3] 王文祥，王碩軍，弭寶國.對摩擦力演示實驗的改進[J].教學與管理，2011（18）：139-140.

[4] 焦飛.DIS系統在摩擦力探究實驗中的應用[J]. 物理通報， 2012（12）：61-63.