利用DIS探究影响滑动摩擦力大小的因素

王松涛

摘  要：利用数字化信息系统引导学生开展影响滑动摩擦力大小的因素的实验探究，用严谨的科学事实破除学生先入为主的错误观念，体验科学探究的成功乐趣。

关键词：科学探究;DIS;滑动摩擦力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2015）1-0054-3

摩擦力是高一力学知识中的重点，更是难点。学生对摩擦力的理解存在许多似是而非的观念和生活中先入为主的错误认识。如果在教学中直接给出相关结论，学生们被动地接受这些观点就会如同无源之水、无本之木。以至于经常会听到老师们抱怨，这个问题我讲了不下十遍，可学生还是会错。这种获取知识的方式看似快捷却效率低下，而学生们更是失去了获取知识过程中应有的严谨的探究态度和科学的探究精神。

在滑动摩擦力一节的教学中，笔者利用DIS（数字化信息系统）引导学生一起开展影响滑动摩擦力大小的因素的实验探究，用严谨的科学事实破除学生的错误观念，体验科学探究的成功乐趣。

1    提出问题

滑动摩擦力的大小与哪些因素有关呢？

2    猜想与假设

师：请同学们讨论并猜想滑动摩擦力的大小可能与哪些因素有关？

生：滑动摩擦力的大小可能与物体的运动速度、物体与接触面间的接触面积、接触面的粗糙程度和接触面间的压力有关。

师：冰壶运动员推出冰壶后，冰壶滑行一段距离停了下来。在冰壶速度减小的过程中，你认为滑动摩擦力的大小会怎样变化呢？

生：会变大，因为冰壶受到的滑动摩擦力越来越大，冰壶的速度才会越来越小。

生：会变小，因为冰壶的速度越来越小，所以冰壶受到的滑动摩擦力越来越小。

生：不变，因为资料上答案如此。

学生的认识带有生活的体验，也有主观的臆断。试图从理论上驳倒学生已有错误观念的努力通常会使学生陷入更大的困惑之中。

师：经过我们的思考与猜想，滑动摩擦力的大小可能与物体的运动速度、物体与接触面间的接触面积、接触面的粗糙程度和接触面间的压力有关。但究竟有什么样的关系，需要我们设计一个实验来进行探究。

3    制定计划与设计实验

3.1    实验原理

二力平衡。

如图1，在抽出木板的过程中木块静止，故弹簧测力计的读数就等于木块所受摩擦力的大小。但是在抽出木板的过程中，弹簧测力计的指针会有晃动，不便于读数。我们采用力的传感器代替弹簧测力计，利用DIS进行实验，实验装置如图2。

图1  实验原理图

图2  实验装置图

3.2    实验方法

控制变量法。

4    实验过程

4.1    研究滑动摩擦力与物体运动速度的关系

4.1.1    进行实验与收集证据

实验中木板表面用毛巾包裹固定，木块正面与毛巾接触。 在接触面积、接触面性质、接触面间的压力一定的条件下进行实验。

打开DIS中相应软件，第一次慢速抽动木板，电脑记录下原始数据（如图3）。

图3   慢速抽动木板原始数据

从图3中可以明显看出，木块相对于木板将要滑动时所受的最大静摩擦力略大于木块相对于木板滑动时所受的滑动摩擦力，木块所受的滑动摩擦力的大小比较稳定，但有微小起伏。

师：滑动摩擦力大小变化的原因是什么呢？

生：木块与毛巾的接触面并非绝对均匀平整。

利用DIS软件选取滑动摩擦力大小比较稳定部分取平均值得到分析数据（如图4）。

图4  慢速抽动木板分析数据

第二次快速抽动木板，记录并分析数据如图5。

图5  快速抽动木板分析数据

4.1.2    分析与论证

将分析数据录入EXCEL表格，计算后得表1。

表1    滑动摩擦力的大小与速度关系

师：两次滑动摩擦力的大小并不相同，于是我们得出滑动摩擦力的大小与速度有关的结论对吗？

生：不对，因为实验中会有各种偶然因素产生误差。

师：如果两次实验结果产生的相对误差的绝对值小于5%，我们就可以认为在实验误差允许的范围内，两次的滑动摩擦力大小相等。

4.1.3    评估

通过对实验结果的分析与评估可得出第一个结论，滑动摩擦力的大小与物体运动的速度无关。

4.2    研究滑动摩擦力与接触面积的关系

4.2.1    进行实验与收集证据

在4.1中已经证明，滑动摩擦力的大小与物体运动速度无关，所以以下实验中木板抽动的快慢不会影响实验的结果。

本次实验木块侧面与毛巾接触。在接触面性质、接触面间的压力一定的条件下进行实验，记录并分析数据如图6。

图6  木块侧面与毛巾接触分析数据

4.2.2    分析与论证

将表1中木块正面与毛巾接触得出的滑动摩擦力大小的平均值与本次实验木块侧面与毛巾接触所得分析数据录入EXCEL表格，计算后得表2。

表2 滑动摩擦力的大小与物体的接触面积关系

4.2.3   评估

通过对实验结果的分析与评估可得出第二个结论，滑动摩擦力的大小与物体的接触面积无关。

4.3    研究滑动摩擦力与接触面间压力的关系

4.3.1   进行实验与收集证据

本次实验木块仍然正面与毛巾接触，分别在木块表面添加一个重锤、两个重锤、三个重锤、四个重锤，用电子台秤测出木块和添加重锤的质量，计算出木块对木板的压力。

各次实验在接触面积、接触面性质一定的条件下进行，实验所得数据记录并分析如图7～10。

图7 木块表面添加一个重锤实验分析数据

图8  木块表面添加两个重锤实验分析数据

图9 木块表面添加三个重锤实验分析数据

图10  木块表面添加四个重锤实验分析数据

将表1中单独一个木块正面与毛巾接触得出的滑动摩擦力大小的平均值与本次实验木块添加不同个数的重锤所得分析数据录入EXCEL表格，计算后得表3。

表3  滑动摩擦力大小与接触面间压力的关系

利用EXCEL的插入图像功能，得到滑动摩擦力的大小随压力变化的趋势，如图11。

图11  滑动摩擦力大小与接触面间压力的关系

经图像分析可得出第三个结论：滑动摩擦力的大小与接触面间的压力成正比。

学生通过实验可顺利得出滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关，接触面越粗糙，物体所受滑动摩擦力越大的结论。

5    交流与合作

通过师生的交流与合作，学生们从实验中自主地认识到滑动摩擦力的大小与物体运动的速度无关，与接触面积也无关，而与接触面间的压力成正比。初步了解到“先入为主”的观点是错误的。

实验是物理学的基础，实验技术在不断改进。DIS具有独特的数形结合功能和灵敏的测量仪器，利用DIS 不仅可以实时动态地测量，实验数据的处理也更迅速准确，而这种深入的体验让知识不再只是一种单纯的结果[1]。现代科技与科学的探究方法为新课标所倡导的自主探究、实践体验、合作交流提供了时间和空间，也必然会促进学习方式的优化，为学生的终身学习、学会学习打下基础。

参考文献：

[1]余雪妹.传感器在高中物理新课程实验教学中的应用与思考[J].物理教学探讨，2011，（2）：70.

（栏目编辑    王柏庐）