用DIS测量最大静摩擦力的实验设计

2019-09-20陈嘉妍

中学理科园地 2019年4期

陈嘉妍

摘要：DIS应用于中学物理教学，弥补了传统实验的不足，提高了实验的可视性。利用DIS实验系统，测量最大静摩擦力，探究影响最大静摩擦力的因素，加深学生对静摩擦力的理解。

关键词：最大静摩擦力;DIS实验; 弹簧测力计

1 问题的提出

2017版《普通高中物理课程标准》提出了物理学科核心素养，其非常重视培养学生的探究性学习及创新能力，提倡教学方法及学习方式的多样化。并在教学建议中明确指出：“数字实验系统是教育信息化发展的需要，更是学生创新能力培养的重要方法和手段”“学校要重视引导教师研究数字实验系统对传统实验的改进方法，研究数字实验系统的教学方式，促进教学手段和方式的现代化”[ 1 ]。传统实验是学生获取知识最直接的手段和最真实的经验，在学生动手操作能力的培养上起着不可取代的作用。DIS实验系统简化了实验数据的采集过程，实现了实验数据的即时处理和直观表现，提高了实验的精度和效率，学生用于处理数据的时间大大减少，为探究性实验提供了很好的平台，便于学生进行探究性实验设计。

最大静摩擦力是司南版必修1第4章第3节摩擦力中的内容，最大静摩擦力是教学中的难点，学生不容易判断出最大静摩擦力出现在什么地方，学生不理解为什么最大静摩擦力比滑动摩擦力大。司南版教科书对这部分内容的处理是利用弹簧测力计粗测最大静摩擦力（图1）帮助学生形成感性认识，试图让学生了解到最大静摩擦力是物块刚好被拉动的时候的摩擦力。但教学中发现实验的效果不太明显，通过弹簧测力计只能测量物体做匀速直线运动时受到的摩擦力，最大静摩擦力很难通过弹簧测力计准确得出数值，学生对最大静摩擦力的学习还不能达到深度地理解。为此，利用力传感器替代传统实验的弹簧测力计，测量最大静摩擦力，并探究影响最大静摩擦力的因素，加深学生们对最大静摩擦力的理解。

2 实验的设计

2.1 自制静摩擦力演示仪

自制实验仪主要有力传感器、数据采集器、计算机、手摇装置、木板以及木块，朗威DISLab8.0系统组成。如图2把力传感器固定在木块中央，绳子的一端缠绕在手摇装置的滑轮上，如图3另一端连接力传感器的挂钩，转动手摇柄，让绳子拉动力传感器，使力传感器与木块一起运动。实验时利用手摇柄手动控制木块的移动的情况，可直接观察到轻轻拉动木块但木块未运动时力的大小。利用力传感器替代弹簧测力计具有较高的动作稳定性，是人工动作难比拟的[ 2 ]。

2.2 实验原理

静摩擦力的大小不易测量，实验过程中利用转换法使木块做匀速直线运动，运用二力平衡的知识，通过拉力反映摩擦力的大小。如图4，DISLab系统能将抽象的摩擦力的变化过程用图像直观的显示出来，通过图象可以得出摩擦力的大小变化以及最大静摩擦力的瞬间变化过程。

改变木块正压力的大小，从图象上得出最大静摩擦力的大小，由此比较最大静摩擦力与正压力的关系;改变木板的粗糙程度，从图象上得出最大静摩擦力的大小，由此比较最大静摩擦力与接触面的粗糙程度之间的关系。

2.3 实验过程

2.3.1 测量最大静摩擦力的大小

实验操作时打开朗威DISLab8.0界面通用软件，将木板放在手摇装置上，把装有力传感器的木块放在木板上。在保持绳子松弛的情况下，对力传感器进行调零。实验时轻轻拉动木块，随着拉力的增大，静摩擦力不断增大。点击“组合曲线”设置横坐标为时间，纵坐标为力的大小，然后点击“开始记录”按扭后转动手摇装置，使木块恰好运动，直至木块动起来后停止记录。系统可自动生成该过程中f-t图象。观察实验曲线f-t图象，利用“其它处理”功能可知其最大值便是最大静摩擦力的大小（如图5所示）。根据图象变化的情况，引导学生分析最大静摩擦力与滑动摩擦力的关系。

2.3.2 探究正压力与最大静摩擦力的关系

最大静摩擦力的影响因素在司南版教科书中并没有设计实验，设计影响最大静摩擦力的因素的实验，帮助学生理解最大静摩擦力的概念。

实验过程中保证接触面的粗糙程度不变，改变木块正压力的大小，当正压力分别为1.96N、2.94N时作出f-t图象（图6），利用“其它处理”功能，可测得最大静摩擦力的数值分别为1.290N、1.550N，通过图6可以直觀看出最大静摩力与正压力的关系。

2.3.3 探究接触面粗糙程度与最大静摩擦力的关系

保证木块正压力大小不变，改变接触面的粗糙程度。首先让木块与木块接触可测得最大静摩擦力记为fm1（如图7）。然后让木块与铁片接触，改变接触面的粗糙程度，在木板上测量出木块与铁片两者之间的最大静摩擦力，记为fm2（如图8）。为了方便比较，计算出这两种情况的静摩擦力因数。可得出木与木之间的最大静摩擦因数分别是：μs（木-木）=0.39;木与铁之间的最大静摩擦因数分别是：μs（木-铁）=0.35。

2.4 实验结论

分析图6可以发现，当接触面的粗糙程度保持一定时，木块的最大静摩擦力随着物块正压力的变化而变化，正压力越大，物块的最大静摩擦力也越大;分析图7和图8可以发现，接触面的粗糙程度会影响最大静摩擦力的大小，由静摩擦因數可知，接触面越粗糙，最大静摩擦力越大。

3 教学启示

摩擦力是力学部分重要概念之一，学生在初中的学习中也已经初步认识了滑动摩擦力，但是对于最大静摩擦力，学生还存在着认知障碍。教学中可以利用传统实验，从学生的直观认识开始，用弹簧测力计拉动木块粗测木块与木板间的最大静摩擦力，然后再利用DIS实验系统，测量最大静摩擦力，并探究影响最大静摩擦力大小的因素。利用DIS实验系统的数据处理功能，直观地从图象中反映出实验结果。教学中通过对图象进行仔细的观察以及细致的分析，能够加深对实验特征的了解，帮助学生加强对物理概念的理解[ 3 ]。