基于Dis优化“静摩擦力”实验设计

孙 涛

陕西省西安市经开第一中学(710018)

静摩擦力是高中物理教学的难点。教学过程中，很多教师试图通过自制实验教具来研究静摩擦力的大小及方向，设法将最大静摩擦力现象记录下来，但实验效果都不是很理想。围绕这个问题，笔者对教科书、教师教学用书、教师教学用书附带光盘教学案例等不同出处的几个摩擦力演示实验教具进行对比分析，最后运用Dis数字实验，描绘静摩擦力随时间的变化图象，化抽象为直观，很好地突破了最大静摩擦力的教学难点。

1 实验对比分析

1.1 人教版物理必修1第3章“相互作用”第3节摩擦力演示栏目

把木块放在水平长木板上，用弹簧测力计沿水平方向拉木块，在拉力F增大到一定值之前，木块不会运动。

在弹簧测力计的指针下轻塞1个小纸团，它可以随指针移动，并可作为指针到达最大位置的标记。继续用力，当拉力达到某一数值时，木块开始移动，此时拉力会突然变小。实验设计如图1所示。

该实验器材和操作都很简单，通过纸团确实可以把最大静摩擦力记录下来。但由于实验可见度小，教师在演示实验时，只有前排的几个同学能清晰地看见实验现象，大多数同学是看不清楚的。因此作为课堂演示实验难以收到良好的教学效果。

1.2 人教版教师教学用书附带光盘教学案例“摩擦力”

人教版教师教学用书附带光盘教学案例“摩擦力”中，安徽省马鞍山市第二中学执教老师沈秋发的演示实验有许多亮点，笔者反复观看教学视频，发现在处理最大静摩擦力教学时是慢之又慢，值得细细品味。笔者画出实验教具原理结构示意图,如图2所示。创新之处有2点：其一，弹簧测力计水平放置并固定在木块上，避免了弹簧测力计与水平面之间的摩擦，并且投影机可将弹簧测力计指针示数放大呈现给学生，增强了实验演示效果。其二，借助转动手柄，实现木块的缓慢运动，可以把木块与木板之间由相对静止变为相对运动这一微妙的变化有效捕捉到。这样的实验处理不仅能较好地记录了最大静摩擦力，还使演示实验的可见度大大提高，是执教老师努力和智慧的结晶。

1.3 人教版物理必修1教师教学用书演示实验

人教版物理必修1教师教学用书第87页演示实验3的设计思想如下：将木块放在木板上，拉动木板，避免人时快时慢直接拉木块所造成的实验误差，这一点在探究滑动摩擦力规律时尤为重要。另外，在木块和木板相对静止的位置做好标记符号，便于学生观察木块与木板之间何时由相对运动趋势变为相对运动，实验原理示意图如图3所示。

1.4 自制实验教具

有了对上述实验的思考，笔者自制了1套摩擦力演示仪装置，如图4所示，原理示意图如图5所示。采用定滑轮将水平方向的力转换为竖直方向上的力。另外，借助杠杆放大原理，将摩擦力的示数大小放大后显示在竖直刻度盘上，增大实验演示的可见度。该教具在滑动摩擦力规律探究时发挥了很大的演示效果，美中不足的是在记录最大静摩擦力方面仍然存在遗憾。通过进一步思考，可以在杠杆指针的一端固定白板笔的笔头(保证笔头与刻度盘之间的摩擦力很小)，这样通过留迹法可以记录静摩擦力的最大值。为了实验可重复操作，刻度盘表面可以张贴白板纸，这样每次实验完成后，指针痕迹可以擦掉。

1.5 Dis实验系统

借助Dis实验系统，可以把力的大小通过数值、指针、图象的方式记录下来并投影在屏幕上，增强实验现象的可见度，尤其是图象可以把力随时间的变化记录下来，突破了最大静摩擦力难以记录的难题。实验中为了使接触面足够平整，采用绝缘胶木板替代图3中的夹层板。设计转动轴驱动木块，使木块和胶木板由相对静止到相对运动这一细微变化放慢处理，这是实验成功的关键。实验装置如图6所示，实验图象如图7所示。

2 反思与感悟

(1)运用传统实验器材完成演示实验，取材方便，操作简单，但是在某些物理教学难点上不能很好地突破。这里我们借助Dis实验成功记录了最大静摩擦力的大小，有效突破教学难点，也解决了一直以来教师直接教给学生最大静摩擦力比滑动摩擦力大一点的尴尬教学情景。

(2)本文涉及到的5套摩擦力实验教具，各有优点，从不同角度体现了教学设计者的良苦用心和创新构思。物理实验教具的开发和研究，是一个艰辛的过程，每一步微小的变化和提升，都是设计者努力和智慧的结晶。我们不可否认在信息化、数字化飞速发展的今天，自制实验教具仍然在物理教学中发挥着很大的作用，我们更能感受到数字化实验系统在物理课程改革、思维观念转变、科学素养形成等方面带来的巨大作用。

(3)随着教学理念、教学方式与教学手段的不断发展变化，在解决疑难问题的过程中需要借鉴和学习他人的研究成果。探索和实践有利于物理实验教学的实验资源和操作策略，就需要我们进行深入地研究和创造。掌握和运用数字化实验系统对新时期的教学工作者提出了更大的挑战，唯有不断地学习，才能迎接时代的挑战。