基于DIS探究物体滑动摩擦力大小

丁宗星

摘   要：简单介绍了DIS系统的原理构造和使用方法，并结合实际的课堂实验案例展示了如何基于DIS系统来直观地测量物体的滑动摩擦力大小，实验方案器材简单、易于操作，通过Excel软件对实验数据结果进行数值拟合，实验现象良好，实验误差较小，更加生动形象地揭示了各物理量之间线性关系，有助于学生对公式形成理解性的记忆，充分展现物理情境，激发学习欲望，培养学生自主探究物理规律的核心素养。

关键词：DIS系统;高中物理;Excel;滑动摩擦力

引言

随着时代的进步，DIS系统在教育领域中作为教育教学测量工具，已被广泛应用在各学科实验探究采集数据以及数据处理，然而大部分教师只把它结合成套的实验装置固定教学演示，所得实验效果不是很理想，实验方案、器材存在缺陷无法实现多组分类探究实验，造成教学资源的浪费，因此如何利用DIS系统致力于实验物理教学的相关研究成为广泛讨论的问题。结合实际课堂教师演示实验，提出简单、易于操作的实验方案，借助DIS系统在高中物理实验教学中的实验数据测量应用进行了案例分析，希望能夠激励更多的年轻教师在成套实验装置面前勇于打破传统，大胆提出有创意、又简单可行的实验方案，促进实验教学。

1  物理实验DIS系统组成

DIS系统全称数字化信息系统，而物理实验DIS系统主要图形计算器实验系统仪器和计算机辅助实验仪器所构成。物理教学通常使用计算机辅助实验仪器，其中包括计算机、测量传感器、数据连接线和计算机软件[ 1-3 ]。

2  物理实验DIS系统的测量传感器

高中物理实验DIS系统的常见测量传感器主要：位移传感器、声波传感器电学、电学传感器、力学传感器等等，本文主要涉及到的传感器是力学传感器用于间接测量物块的滑动摩擦力[ 3 ][ 4 ]。

2.1  电脑软件安装

通过相关步骤安装DISLab 8.0 软件，当正确安装完软件后，在电脑桌面上出现如图1所示的软件界面。然后双击该软件弹出目录页面，通过选择相应的测量摩擦力模块并点击。

2.2  数据采集步骤

采集器有四个通道可以同步采集、处理和显示数据。数据采集器可通过接插有线或无线模块改变与传感器的通讯方式，从而实现四路无线采集。本文实验数据采集器选择接插有线方式。在点击测量摩擦力模块之后桌面会显示如图2所示界面，测量数据之间先对传感器调零，再点击开始记录按钮开始实验记录，持续一段时间后点击停止记录按钮，通过单击选择区域按钮来测量本次实验数据摩擦力大小[ 3 ][ 4 ]。

通过点击直线拟合按钮将所测得摩擦力大小数据进行图像拟合，可得到摩擦力关于时间变化的图像，再点击拟合按钮转化得到摩擦力关于正压力变化的图像（也可通过Excel软件实现）。

3  DIS系统在高中物理实验的应用案例与分析---以“探究影响物体滑动摩擦力大小的因素”片段教学为例

3.1  教学内容与学情分析

本片段教学选自鲁科版物理必修1第四章第三节。

课标要求：通过实验认识滑动摩擦力、静摩擦力的规律，能用动摩擦因素计算摩擦力[ 2 ]。

结合教材与课标分析：本节课是学生已经学习初中摩擦力知识基础上，通过初中的定性实验探究得出影响摩擦力的两个重要因素。本节课是在初中的基础上，从更深层次角度入手，探究分析滑动摩擦力的产生条件、方向以及通过实际实验得出滑动摩擦力大小的定量表达式。这对科学定量探究滑动摩擦力大小的影响因素，以及加强对滑动摩擦力大小公式等规律的理解，从而引导学生经历科学思维的过程，树立正确的科学观念。

学生已有的知识结构和能力水平：学生在知识上已经学习了重力和弹力，掌握了研究某个力要从力的三要素入手的知识，这为科学探究滑动摩擦力的基本过程奠定了一定的基础，在能力上具备一定的抽象概念的辨析、实验观察、数学理论分析和作图等能力，但学生对于实验数据处理以及如何运用图像分析现象存在一定的困难，这需要教师结合实验与理论，引导帮助学生经历实验过程、数据采集以及图像分析等过程。

3.2  教学目标

结合滑动摩擦力的概念和生活经验，知道滑动摩擦力的产生条件。经历自我探索和辨析过程，得出滑动摩擦力的方向。通过演示实验的数据分析，得出滑动摩擦力大小与物体所受正压力和物体接触面的粗糙程度的定量关系，提高实验与理论分析相结合的能力。

3.3  教学策略分析

先结合DIS传感器与多媒体设备，通过课堂演示实验，引导每一位学生直观地观察到实验现象，并将现场实验过程所得到的实验数据进行数据处理结合Excel绘制图像，引领学生分析实验图像结果，得出实验规律。帮助学生完整地经历探究定量实验的过程，提高课堂效率，激发学习欲望，提高自主探究物理规律的能力。

3.4  片段教学过程

环节一：实验探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关

教师提问：了解完滑动摩擦力方向，结合初中的学习，请同学们回顾滑动摩擦力大小与哪些因素有关？这些因素能一起研究吗？应该采取什么方法研究？

学生猜想：与物体所受正压力、接触面积大小、和接触面的粗糙程度有关;不能;控制变量法。

教师介绍：探究滑动摩擦力实验改进装置：如图3。

①实验室有带拉环的小木块和长木板、力学传感器、细绳、砝码、自制白纸套;

②将力学传感器固定在实验平台上，并使它与小木块连接，力学传感器可以直接感应出绳子拉力的大小并通过传输端将数据传送到显示屏幕上，这样就可以很直观地读出绳子拉力的大小。

③通过更换白纸套，实现木块与接触面粗糙程度的改变;通过增减砝码来改变木块与接触面的正压力;通过调整木块的侧面和底面，实现木块与木板接触面积大小的改变。

环节二：实验探究当物块被拉动时所受摩擦力大小变化及观察最大静摩擦力

教師演示：如图3所示，首先根据实验方案把力学传感器固定在支架上（课前已经调整好位置并水平摆好实验器材），接着将力学传感器数据端接入多媒体设备，最后在多媒体设备上打开DIS软件（可以观察拉力动态变化）。

学生分析：如图4和图5所示，通过DIS软件观察到当木板处于静止状态和被拉动瞬间以及拉动过程，木块所受摩擦力动态变化过程，根据屏幕上显示的实时实验图景，学生自主上台标出三个阶段摩擦力，并说出三个阶段摩擦力变化的特点。

学生总结：对木块受力分析，根据牛顿定律;当无外力作用且木板处于静止时，木块所受摩擦力为零;当有外力作用且木板处于被拉动瞬间（木板还没动），当木板给木块的作用力增大时，木块所受静摩擦力也增大;当有外力作用且木板被拉动时与木块发生相对滑动，木块所受滑动摩擦力大小不变;图6中还可以观察到木板从静止到被拉动的过程中木块所受静摩擦力随外力增大而增大，最终达到最大静摩擦力后突变为大小稳定的滑动摩擦力。

环节三：实验探究木块所受滑动摩擦力大小随正压力变化及公式推导

教师接着引导：滑动摩擦力大小与什么因素有关呢？

教师演示：

①木块的接触面为白纸，通过增减钩码改变木块所受的正压力大小，观察木块所受滑动摩擦力大小变化;

②木块的接触面为木板，通过增减钩码改变木块所受的正压力大小，观察木块所受滑动摩擦力大小变化，如图7所示。

学生发现：如图6和图7所示，当木块与接触面的粗糙程度不变时，增加木块所受的正压力，观察到木块所受的滑动摩擦力增大;保持木块所受正压力不变，增加木块与接触面的粗糙程度，观察到木块所受的滑动摩擦力增大。

最后教师进一步引导学生分析图像中的物理量变化趋势，推导物体滑动摩擦力大小的定量表达式。

3.5  评价

本教学案例借助DIS系统中的力学传感器直观地测量物体的滑动摩擦力大小，实验装置简单易操作，通过课堂演示增强学生对自主探究实验的兴趣，有助于激发学生的学习兴趣，结合Excel软件将实验所测得数据进行实时拟合，极大提高了学生对实验数据处理以及分析能力，充分展现物理情景，激发学习欲望，培养学生自主探究物理规律的核心素养。

4  总结

本文结合实际课堂教师演示实验，提出简单、易于操作的实验方案。相比传统用DIS系统探究滑动摩擦力大小方案，我们实验方案不要借助皮带传动物体，采用手动方式也可达到良好的实验效果，借助DIS系统在高中物理实验教学中的实验数据测量应用进行了案例分析，希望能够激励更多的年轻教师在成套实验装置面前勇于打破传统，大胆提出有创意、又简单、易于操作的实验方案，促进实验教学。充分发挥DIS系统优势与高中物理实验深度融合，提高教学效率。

5  展望与建议

高中物理实验教学有助于培养学生的观察分析能力和探究物理规律能力。而实际课堂教学中演示实验的机会少之又少，因此教师应该重视物理实验教学的重要性，想方设法让学生体验真实物理情景，借助DIS系统与真实物理情景教学深度融合激发学生的探究规律欲望。

本节课实验的设计存在一些不足：可进一步增大纸套的粗糙程度用于增加实验的对比性。

参考文献：

[1] 马如宇，卓敏.DIS数字化信息系统在中学物理实验教学中的应用研究[J]. 中国现代教育装备， 2010（8）：3.

[2] 束炳如，何润伟.普通高中课程标准实验教科书物理：必修1：教师用书[M]. 上海：上海科技教育出版社， 2004.

[3] 王文祥，王硕军，弭宝国.对摩擦力演示实验的改进[J].教学与管理，2011（18）：139-140.

[4] 焦飞.DIS系统在摩擦力探究实验中的应用[J]. 物理通报， 2012（12）：61-63.