物理数字化实验教学课例

教学课例——数字实验室在《摩擦力》教学中的应用教学课题滑动摩擦力和正压力教学内容探究滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关，用什么办法可以测定它们的大小教学重点、难点探究滑动摩擦力大小跟物体表面受到的压力以及接触面的粗糙程度的关系实验器材数据采集器、力传感器、计算机、长木板、细绳、摩擦力实验器、毛玻璃、包装纸、铁架台等数字化实验设备简介（如图1）1．传感器：数字化实验的核心部件。“感”将物理量转化成电信号；“传”将电信号传递到数据采集器装置和计算机平台。教学中常用的传感器包括力传感器、位移传感器、热传感器、电流电压传感器、光传感器、声传感器等等，图中是一个位移传感器。

2．数据采集器：采集传感器感知的数据，并传给计算机，可以说是传感器与计算机连接的转换器。3．实验仪器：完成某一物理实验需要的仪器，如小车、导轨、灯泡、电源、开关、线圈、磁铁等。4．计算机及其内部处理由传感器传递的数据的软件。

5．实验结果：实验中采集的数据用计算机进行分析处理，通过计算机显示器直接显示以数学方式展现的图表和图象，物理现象和规律通过数学的图象和图表呈现。由此可知，数字化实验是将传感器、计算机与传统的实验仪器结合，是传统实验方法的发展和数据处理的科学化，呈现的是真实的实验，数据处理上更严谨，规范。

对传统实验的改进方案及结果分析：《摩擦力》是初中物理最重要的概念之一，新课程标准对本节的要求之一是通过实验认识滑动摩擦、静摩擦的现象，探究滑动摩擦力跟哪些因素有关系；实验原理是让木块匀速运动，应用二力平衡的知识用拉力来反映摩擦力。传统教学中采用图2的装置，用弹簧秤水平拉一个放在水平长木板上的木块，学生通过观察木块从不动到运动的过程中弹簧秤示数的变化，来认识摩擦力。但由于仪器较粗糙，数据的变化不易看得很清楚，本实验大多情况下作为了一种模糊的定性研究。

用传感器参与本实验，实验原理不变。但图2中的弹簧秤换为力传感器效果也不好。于是我们想到用图3的装置，将力传感器固定，感知力的一端通过一段弹性不大的细绳与木块连接做本实验，这样木块始终与地保持相对静止。拉动木板，在刚加拉力时木块与木板有相对运动趋势，木块与木板间有静摩擦力，木板运动起来，木块与木板有滑动摩擦力，由于木块始终相对静止，因此各个时刻的拉力就反映了对应的摩擦力。实验数据传入计算机，木块抽动过程中拉力的变化以图4中的红线形式展示。这样木块由不动到运动中摩擦力的变化就通过拉力变化的图线清楚的呈现给学生。

对图象做进一步分析看出图中的①表明木块还未受到拉力时完全静止的一个过程，木块受拉力为零，因此摩擦力为零。图中②体现木块与木板相对静止时在不动到滑动的过程中静摩擦力随拉力的增大而增大，图中③是物体动与不动的分界点，此时的摩擦力是最大静摩擦力，图中④体现的是物体的运动过程，图中清楚显示滑动摩擦力小于最大静摩擦力，且在运动中保持一个定值。所以通过图4的完整图线很好的反映了学生认识摩擦力的第一个层次──感知摩擦力。

第二层次是在此基础上继续研究正压力和接触面的粗糙程度对滑动摩擦力的影响。图5对应的是木块放在毛玻璃表面，图6是木块放在包装纸的表面。两图表格中的“平均”显示的是在毛玻璃表面分别施加三个压力和在包装纸表面分别施加同样的三个压力实验时滑动中对应的拉力大小，也就反映了各次滑动摩擦力的大小。测量木块重1．5N，在木块上依次加250g砝码，使正压力依次为1．5N，4N，6．5N。再将得到的数据用Excel处理得到的如图7的图、表，这样处理本实验既分析出滑动摩擦力与正压力间的正比例关系，又知道这个比例系数由接触面的粗糙程度决定，更可以算出相应的动摩擦因数，且控制变量法也一目了然。教学反思：由以上分析可以看出，传感器的介入提升了实验数据分析的层次。图象的展示