数字化实验与传统实验有机结合培养学生学习积极性

湖北省武汉市新洲区第一中学(430400) 祝双华

湖北省武汉市新洲区邾城街第一初级中学(430400) 吴旭东

随着信息技术的发展，信息技术在课堂教学中的应用逐步普及，物理数字化实验教学在物理实验教学中已经开展。物理数字化实验教学与传统实验教学相比，有着实验操作简单、采集数据准确、绘图快捷无误，易于分析归纳总结等优势。本文将以“用传感器研究摩擦力”为例，将物理数字化实验与传统实验相结合，培养学生学习物理积极性。

1 实验探究及操作过程

1.1 实验器材

电动摩擦测力器、力传感器、电脑显示屏、铁架台、粘胶带、医用胶布、电子天平。

1.2 实验装置图

1.3 实验过程

开机(电脑)→菜单→北京友高教育→点击物理→测量摩擦力→点击实验窗口→点击实验指导→摩擦力校零→开始采集数据→打开电动机开关→停止采集→取最大摩擦力→取平均摩擦力→填写实验报告→存盘。

依次测量方木块在皮带上的摩擦力、方木块上加1个10 g法码在皮带上的摩擦力、方木块上加1个20 g法码在皮带上的摩擦力、方木块底部贴粘胶带在皮带上的摩擦力、方木块底部贴医用胶布在皮带上的摩擦力。

1.4 实验结果

(1)第1次实验材料为木材与橡胶，正压力F=0.589 6 N。测出最大摩擦力fm=0.26 N，滑动摩擦力f=0.13 N，滑动摩擦因数μ=0.22。

(2)第2次实验材料为木材与橡胶，正压力F=0.690 1 N。测出最大摩擦力fm=0.43 N，滑动摩擦力f=0.16 N，滑动摩擦因数μ=0.23。

(3)第3次实验材料为木材与橡胶，正压力F=0.79 N。测出最大摩擦力fm=0.49 N，滑动摩擦力f=0.21 N，滑动摩擦因数μ=0.26。

(4)第4次实验材料为粘胶带与橡胶，正压力F= 0.592 2 N。测出最大摩擦力fm=0.40 N，滑动摩擦力f=0.11 N，滑动摩擦因数μ=0.19。

由条件知:N1(a)关于变量强单调和Lipschitz连续[3，4，9]，常数分别为 α，β，A(u)是 Lipschitz 连续，常数为，则有λA

(5)第5次实验材料为医用胶布与橡胶，正压力F=0.595 7 N。测出最大摩擦力fm=0.46 N，滑动摩擦力f=0.27 N，滑动摩擦因数μ=0.45。

2 对实验的讨论

2.1 实验原理及公式

以水平匀速向右运动的皮带为参照物，方木块向左匀速直线运动，在水平方向上，细线的拉力与方木块受到的摩擦力是一对平衡力。

实验公式：G=mg(g=10 N/kg),f=μF(F正压力，μ为摩擦因数，μ越大表示材料的粗糙程度越大)。

2.2 故障分析

有的小组出现小车在皮带上跑偏、翻转、运动不稳定等情形，原因分析：①电动摩擦测力计没有水平放稳；②组装实验时，没有做到直线性、平行性，即力的传感器要与方木块在一条直线上且与皮带保持水平平行。

2.3 分析归纳结论

师：同学们，我们在研究滑动摩擦力实验中，使用了怎样的研究方法？又是怎样运用这种方法的？

生：控制变量法。首先，控制摩擦材料粗糙程度不变，改变压力。然后，控制压力不变，改变不同的摩擦材料来研究滑动摩擦力。

师：回答很好，方木块上的粘胶带、医用胶布质量可忽略不计。请同学们依据传统方法制定摩擦力与相关因数的表格，注意要通过摩擦因数来反映材料的粗糙程度。

学生设计的表格见表1、2。

表1 摩擦面材料相同

表2 正压力相同(F=0.59 N)

师：同学们的表格设计与制作得非常好。请根据表格分析归纳结论。

结论：滑动摩擦力与正压力和摩擦材料的粗糙程度有关。正压力越大，摩擦力越大；摩擦材料越粗糙，摩擦力越大。

2.4 实验误差分析

师：实验中同学们发现了什么问题？

生：小木块运动时摩擦力有波动性，有时波动性很大；每组的摩擦力f-t图像不相同。

师：这就是实验误差，请同学们分析一下误差产生的原因(提示：观察转轴的转动、皮带运动的稳定性)。

生：①由于轴承有间隙，使转轴转动不稳定而导致皮带晃动，使摩擦力呈现波动性；②由于皮带有弹性，所以转动时皮带有微小上下颠动，摩擦力产生波动性；③电机的震动会影响摩擦力的波动性。

2.5 本实验优点

(1)皮带在水平方向能作持续的匀速运动，并能通过开关旋钮调节匀速运动的速度。

(2)将方木块在运动中的摩擦力完整地记录下来，即使是转瞬即逝的信号也能记录下来，比如开始滑动前的静摩擦力的大小，而传统实验时静摩擦力只能估读(因为很难确定恰好是运动前的摩擦力)。

(3)能记录极其微小的摩擦力，精确到小数点后两位(0.01 N)，而弹簧测力计最小分度值(精确度)是0.05 N，微小的摩擦力用弹簧测力计是很难准确测出的。

(4)通过调节转速从而改变皮带水平匀速运动的速度来说明水平运动的滑动摩擦力与物体运动的速度无关。这在传统实验中很难验证的，拉动方木块慢了，造成滑动不连续拉力会断续变化，拉动方木块快了，会难以准确读出拉力值。

(5)可绘制摩擦力随时间变化的函数图像(见图2)，能自动计算平均摩擦力，这是传统实验无法比拟的。

图2 f-t图像

在用传统方法测量摩擦力时，如果拉力拉快了，弹簧测力计指针一晃而过，无法读数；如果拉力拉慢了，弹簧测力计指针前后摆动，很难固定，有一种晃晃忽忽的感觉，读出的拉力好像似是而非，而且是估读缺乏真实感，难以令人信服。而用力的传感器测量摩擦力，能显示物体滑动时拉力在各点的图像数据，而且精确，测出的摩擦力实实在在真实可信。随着一幅幅f-t图像在屏幕上出现，学生们绽开了一张张幸福的笑脸，这种内在的喜悦必然会转化成外在的动力，学生自然会产生乐学的激情，进而由乐学转化成爱学的动力。

2.6 进一步探究与分析

师：同学们，我们知道理论上压力和摩擦面粗糙程度不变时，物体水平运动的滑动摩擦力是不变的。现在我们抛开实验误差因素，每一组的摩擦力图像f-t都是波动的，即摩擦力是变化的，请同学们大胆地分析原因，可展开讨论(提示：从物体在什么情况下压力等于重力，摩擦材料的平整度等角度去考虑)。

生：①实验中皮带的运动难以保持绝对的水平，所以木块对皮带的压力并不总等于木块的重力，压力是变化的，引起了摩擦力的变化；②无论是皮带还是方木块底部看起来是一样的平滑，实际用手摸，其粗糙程度是不同的，这也引起了滑动摩擦力的改变。

师：同学们的分析得非常好。那么，请同学们像牛顿一样，对滑动摩擦力作进一步的推理。

生：在压力和摩擦面粗糙程度不变时，物体水平运动的滑动摩擦力不改变，只是一种理想状态，在现实生活中并不存在，所以才出现实验中滑动摩擦力的波动性。

师：同学们这种推理非常正确。这就是发现，是你们自己通过努力得到的发现。在实验中要敢于发现问题、善于分析问题、勇于质疑规律，并寻求科学解释。

2.7 引导学生理性认识

本实验只有在充分掌握了摩擦力的理论知识和用传统测量摩擦力的方法后，才能有效进行数字化实验。如传统实验中必须水平拉测力计作匀速直线运动才能使摩擦力大小等于拉力大小，因此，我们在连接力的传感器时，传感器与方木块要在水平直线上且与皮带保持平行，才能使摩擦力等于传感器的拉力。而且方木块在皮带上不会跑偏、翻转或卡停。

3 正确处理物理数字化实验与传统实验的关系

3.1 物理传统实验的优势

传统实验有着传统优势。特别是物理演示实验，取材简单方便、易操作、更直观、占地小。传统学生分组实验对培养学生动手操作能力、观察能力、分析问题、解决问题能力、收集信息和处理信息能力、基本制表制图能力、实事求是的科学探究能力，都有着极大的促进作用，能使学生独立完成整个实验过程，培养了学生良好的实验技能。

3.2 物理数字化实验与物理传统实验的关系

学生进行数字化实验，要有一定的信息技术知识与技能作基础，更重要的是要掌握所要完成物理实验的理论知识和熟练掌握用传统方法进行实验的基本技能。因为，两者的实验组装主要部件基本相同，实验原理和本质相同，只是采集数据的方式不同，后者采集数据自动、高效、连贯、准确，能自动记录和绘图，从而节省大量的时间。

物理数字化实验不是孤立存在的，它与传统实验是紧密相连的。它用传统实验的原理和方法作指导，反过来又能丰富完善传统实验教学的记录、统计和制图环节，使数据更精细、制图更科学、归纳推理验证物理规律更直观、更准确，使学习轻松而具有乐趣。所以，它是将现代信息技术与物理传统实验的有机结合，形成互补。物理数字化实验不是弱化更不是摒弃传统实验，而是对传统实验的有效延伸和完善，更有利于学生的学习。这好比你在使用计算器计算加减乘除时，你必须先会加减乘除的混合计算，更要会背诵乘法口决，否则不掌握传统物理实验原理、基本技能，即使有最先进的设备，当遇到新的问题，还是无法进行实验。

3.3 加强数字化实验教学，提高学生学习积极性

在本实验中，因为电脑描绘了摩擦力随时间变化的f-t函数图像，这给学生带来了享受学习的乐趣。当一幅幅摩擦力随时间变化的图像出现在屏幕上时，同学们露出了兴奋的笑脸；当他们通过自己测得的数据制定表格、分析归纳出结论时，彰显着喜悦的自豪。当他们推理出理论上当物体压力与摩擦面粗糙程度不变时，在水平运动时的滑动摩擦力是不变的。这只是一种理想状态，现实生活中并不存在。这就是发现，原来成功离我们这么近，成功并不是可望而不可及的。体验了成功的快乐，学习的积极性得到了极大提高，可学、愿学、乐学的热情高涨，学习情感得到了升华，爱学就此而形成。

因此，我们在实验教学中要鼓励学生从教室走进实验室，从实验室走进数字化实验室。当在实验室无法达到实验目的时，应到数字化实验室进行求证，以趋完善；利用数字化实验对学生实验作进一步的探究，以利于对相关知识点更加全面的理解和掌握；利用数字化实验探究物理教材中的小实验，学习活动丰富多样；利用数字化实验自动制作图像的特点与练习习题相结合，帮助学生理解相关知识难点问题。通过以上丰富多样的活动，既能调动学生的学习积极性，又能锻炼学生动手探究能力，培养学生科学探究习惯，提高学习能力。