物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)課例

教學(xué)課例——數(shù)字實(shí)驗(yàn)室在《摩擦力》教學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)課題滑動(dòng)摩擦力和正壓力教學(xué)內(nèi)容探究滑動(dòng)摩擦力的大小跟哪些因素有關(guān)，用什么辦法可以測(cè)定它們的大小教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)探究滑動(dòng)摩擦力大小跟物體表面受到的壓力以及接觸面的粗糙程度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)器材數(shù)據(jù)采集器、力傳感器、計(jì)算機(jī)、長(zhǎng)木板、細(xì)繩、摩擦力實(shí)驗(yàn)器、毛玻璃、包裝紙、鐵架臺(tái)等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介（如圖1）1．傳感器：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的核心部件?！案小睂⑽锢砹哭D(zhuǎn)化成電信號(hào)；“傳”將電信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)采集器裝置和計(jì)算機(jī)平臺(tái)。教學(xué)中常用的傳感器包括力傳感器、位移傳感器、熱傳感器、電流電壓傳感器、光傳感器、聲傳感器等等，圖中是一個(gè)位移傳感器。

2．?dāng)?shù)據(jù)采集器：采集傳感器感知的數(shù)據(jù)，并傳給計(jì)算機(jī)，可以說(shuō)是傳感器與計(jì)算機(jī)連接的轉(zhuǎn)換器。3．實(shí)驗(yàn)儀器：完成某一物理實(shí)驗(yàn)需要的儀器，如小車(chē)、導(dǎo)軌、燈泡、電源、開(kāi)關(guān)、線(xiàn)圈、磁鐵等。4．計(jì)算機(jī)及其內(nèi)部處理由傳感器傳遞的數(shù)據(jù)的軟件。

5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器直接顯示以數(shù)學(xué)方式展現(xiàn)的圖表和圖象，物理現(xiàn)象和規(guī)律通過(guò)數(shù)學(xué)的圖象和圖表呈現(xiàn)。由此可知，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是將傳感器、計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理的科學(xué)化，呈現(xiàn)的是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理上更嚴(yán)謹(jǐn)，規(guī)范。

對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案及結(jié)果分析：《摩擦力》是初中物理最重要的概念之一，新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)的要求之一是通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)滑動(dòng)摩擦、靜摩擦的現(xiàn)象，探究滑動(dòng)摩擦力跟哪些因素有關(guān)系；實(shí)驗(yàn)原理是讓木塊勻速運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用二力平衡的知識(shí)用拉力來(lái)反映摩擦力。傳統(tǒng)教學(xué)中采用圖2的裝置，用彈簧秤水平拉一個(gè)放在水平長(zhǎng)木板上的木塊，學(xué)生通過(guò)觀察木塊從不動(dòng)到運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中彈簧秤示數(shù)的變化，來(lái)認(rèn)識(shí)摩擦力。但由于儀器較粗糙，數(shù)據(jù)的變化不易看得很清楚，本實(shí)驗(yàn)大多情況下作為了一種模糊的定性研究。

用傳感器參與本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理不變。但圖2中的彈簧秤換為力傳感器效果也不好。于是我們想到用圖3的裝置，將力傳感器固定，感知力的一端通過(guò)一段彈性不大的細(xì)繩與木塊連接做本實(shí)驗(yàn)，這樣木塊始終與地保持相對(duì)靜止。拉動(dòng)木板，在剛加拉力時(shí)木塊與木板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，木塊與木板間有靜摩擦力，木板運(yùn)動(dòng)起來(lái)，木塊與木板有滑動(dòng)摩擦力，由于木塊始終相對(duì)靜止，因此各個(gè)時(shí)刻的拉力就反映了對(duì)應(yīng)的摩擦力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，木塊抽動(dòng)過(guò)程中拉力的變化以圖4中的紅線(xiàn)形式展示。這樣木塊由不動(dòng)到運(yùn)動(dòng)中摩擦力的變化就通過(guò)拉力變化的圖線(xiàn)清楚的呈現(xiàn)給學(xué)生。

對(duì)圖象做進(jìn)一步分析看出圖中的①表明木塊還未受到拉力時(shí)完全靜止的一個(gè)過(guò)程，木塊受拉力為零，因此摩擦力為零。圖中②體現(xiàn)木塊與木板相對(duì)靜止時(shí)在不動(dòng)到滑動(dòng)的過(guò)程中靜摩擦力隨拉力的增大而增大，圖中③是物體動(dòng)與不動(dòng)的分界點(diǎn)，此時(shí)的摩擦力是最大靜摩擦力，圖中④體現(xiàn)的是物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，圖中清楚顯示滑動(dòng)摩擦力小于最大靜摩擦力，且在運(yùn)動(dòng)中保持一個(gè)定值。所以通過(guò)圖4的完整圖線(xiàn)很好的反映了學(xué)生認(rèn)識(shí)摩擦力的第一個(gè)層次──感知摩擦力。

第二層次是在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究正壓力和接觸面的粗糙程度對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響。圖5對(duì)應(yīng)的是木塊放在毛玻璃表面，圖6是木塊放在包裝紙的表面。兩圖表格中的“平均”顯示的是在毛玻璃表面分別施加三個(gè)壓力和在包裝紙表面分別施加同樣的三個(gè)壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)滑動(dòng)中對(duì)應(yīng)的拉力大小，也就反映了各次滑動(dòng)摩擦力的大小。測(cè)量木塊重1．5N，在木塊上依次加250g砝碼，使正壓力依次為1．5N，4N，6．5N。再將得到的數(shù)據(jù)用Excel處理得到的如圖7的圖、表，這樣處理本實(shí)驗(yàn)既分析出滑動(dòng)摩擦力與正壓力間的正比例關(guān)系，又知道這個(gè)比例系數(shù)由接觸面的粗糙程度決定，更可以算出相應(yīng)的動(dòng)摩擦因數(shù)，且控制變量法也一目了然。教學(xué)反思：由以上分析可以看出，傳感器的介入提升了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的層次。圖象的展示