摘要：DIS應(yīng)用于高中數(shù)學(xué)教學(xué)，填補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視性。借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，檢測最大靜磨擦力，探究影響最大靜磨擦力的誘因，加深中學(xué)生對靜磨擦力的理解。
關(guān)鍵詞：最大靜磨擦力；DIS實(shí)驗(yàn)；彈簧測力計(jì)
1問題的提出
2017版《普通中學(xué)數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了數(shù)學(xué)學(xué)科核心素質(zhì)，其特別注重培養(yǎng)中學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力，倡導(dǎo)教學(xué)方式及學(xué)習(xí)方法的定制化。并在教學(xué)建議中明晰強(qiáng)調(diào)：“數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是教育信息化發(fā)展的須要，更是中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方式和手段”“學(xué)校要注重引導(dǎo)班主任研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方式，研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)方法，推動教學(xué)手段和方法的現(xiàn)代化”[1]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是中學(xué)生獲取知識最直接的手段和最真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)，在中學(xué)生動手操作能力的培養(yǎng)上起著不可替代的作用。DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡化了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集過程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)處理和直觀表現(xiàn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的精度和效率，中學(xué)生用于處理數(shù)據(jù)的時(shí)間大大降低，為探究性實(shí)驗(yàn)提供了挺好的平臺，以便中學(xué)生進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。最大靜磨擦力是司南版選修1第4章第3節(jié)磨擦力中的內(nèi)容，最大靜磨擦力是教學(xué)中的難點(diǎn)，中學(xué)生不容易判別出最大靜磨擦力出現(xiàn)在哪些地方，中學(xué)生不理解為何最大靜磨擦力比滑動磨擦力大。司南版教科書對這部份內(nèi)容的處理是借助彈簧測力計(jì)粗測最大靜磨擦力（圖1）幫助中學(xué)生產(chǎn)生感性認(rèn)識，企圖讓中學(xué)生了解到最大靜磨擦力是物塊恰好被帶動的時(shí)侯的磨擦力。但教學(xué)中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的療效不太顯著，通過彈簧測力計(jì)只能檢測物體做勻速直線運(yùn)動時(shí)遭到的磨擦力，最大靜磨擦力很難通過彈簧測力計(jì)確切得出數(shù)值，中學(xué)生對最大靜磨擦力的學(xué)習(xí)還不能達(dá)到深度地理解。因此，利使勁傳感取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的彈簧測力計(jì)，檢測最大靜磨擦力，并探究影響最大靜磨擦力的誘因，加深中學(xué)生們對最大靜磨擦力的理解。
2實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)
2.1自制靜磨擦力演示儀
自制實(shí)驗(yàn)儀主要有力傳感、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、手搖裝置、木板以及鐵塊，朗威.0系統(tǒng)組成。如圖2把力傳感固定在鐵塊中央，繩子的一端纏繞在手搖裝置的滑輪上，如圖3另一端連接力傳感的掛鉤，轉(zhuǎn)動手搖柄，讓繩子帶動力傳感，使力傳感與鐵塊一起運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)時(shí)借助手搖柄自動控制鐵塊的聯(lián)通的情況，可直接觀察到輕輕帶動鐵塊但鐵塊未運(yùn)動時(shí)力的大小。利使勁傳感取代彈簧測力計(jì)具有較高的動作穩(wěn)定性，是人工動作難比擬的。
2.2實(shí)驗(yàn)原理
靜磨擦力的大小不易檢測，實(shí)驗(yàn)過程中借助轉(zhuǎn)換法使鐵塊做勻速直線運(yùn)動，運(yùn)用二力平衡的知識，通過拉力反映磨擦力的大小。如圖4，系統(tǒng)能將具象的磨擦力的變化過程用圖象直觀的顯示下來，通過圖像可以得出磨擦力的大小變化以及最大靜磨擦力的頓時(shí)變化過程。改變鐵塊正壓力的大小，從圖像上得出最大靜磨擦力的大小，由此比較最大靜磨擦力與正壓力的關(guān)系；改變木板的粗糙程度，從圖像上得出最大靜磨擦力的大小，由此比較最大靜磨擦力與接觸面的粗糙程度之間的關(guān)系。
2.3實(shí)驗(yàn)過程
2.3.1檢測最大靜磨擦力的大小
實(shí)驗(yàn)操作時(shí)打開朗威.0界面通用軟件，將木板置于手搖裝置上，把裝有力傳感的鐵塊置于木板上。在保持繩子松馳的情況下，對力傳感進(jìn)行調(diào)零。實(shí)驗(yàn)時(shí)輕輕帶動鐵塊，隨著拉力的減小，靜磨擦力不斷減小。點(diǎn)擊“組合曲線”設(shè)置橫座標(biāo)為時(shí)間，縱座標(biāo)為力的大小靜摩擦力的大小與什么有關(guān)，之后點(diǎn)擊“開始記錄”按扭后轉(zhuǎn)動手搖裝置，使鐵塊正好運(yùn)動，直到鐵塊動上去后停止記錄。系統(tǒng)可手動生成該過程中f-t圖像。觀察實(shí)驗(yàn)曲線f-t圖像，借助“其它處理”功能可知其最大值便是最大靜磨擦力的大?。ㄈ鐖D5所示）。按照圖像變化的情況，引導(dǎo)中學(xué)生剖析最大靜磨擦力與滑動磨擦力的關(guān)系。
2.3.2探究正壓力與最大靜磨擦力的關(guān)系
最大靜磨擦力的影響誘因在司南版教科書中并沒有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)影響最大靜磨擦力的誘因的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解最大靜磨擦力的概念。實(shí)驗(yàn)過程中保證接觸面的粗糙程度不變，改變鐵塊正壓力的大小，當(dāng)正壓力分別為1.96N、2.94N時(shí)做出f-t圖像（圖6），借助“其它處理”功能，可測得最大靜磨擦力的數(shù)值分別為1.290N、1.550N，通過圖6可以直觀看出最大靜摩力與正壓力的關(guān)系。
2.3.3探究接觸面粗糙程度與最大靜磨擦力的關(guān)系
保證鐵塊正壓力大小不變，改變接觸面的粗糙程度。首先讓鐵塊與鐵塊接觸可測得最大靜磨擦力記為fm1（如圖7）。之后讓鐵塊與鐵片接觸，改變接觸面的粗糙程度，在木板上檢測出鐵塊與鐵片二者之間的最大靜磨擦力，記為fm2（如圖8）。為了便捷比較，估算出這兩種情況的靜磨擦力質(zhì)數(shù)。
2.4實(shí)驗(yàn)推論
剖析圖6可以發(fā)覺，當(dāng)接觸面的粗糙程度保持一定時(shí)，鐵塊的最大靜磨擦力隨著物塊正壓力的變化而變化，正壓力越大，物塊的最大靜磨擦力也越大；剖析圖7和圖8可以發(fā)覺，接觸面的粗糙程度會影響最大靜磨擦力的大小，由靜磨擦質(zhì)數(shù)可知靜摩擦力的大小與什么有關(guān)，接觸面越粗糙，最大靜磨擦力越大。
3教學(xué)啟示
磨擦力是熱學(xué)部份重要概念之一，中學(xué)生在中學(xué)的學(xué)習(xí)中也早已初步認(rèn)識了滑動磨擦力，而且對于最大靜磨擦力，中學(xué)生還存在著認(rèn)知障礙。教學(xué)中可以借助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，從中學(xué)生的直觀認(rèn)識開始，用彈簧測力計(jì)帶動鐵塊粗測鐵塊與木板間的最大靜磨擦力，之后再借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，檢測最大靜磨擦力，并探究影響最大靜磨擦力大小的誘因。借助DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能，直觀地從圖像中反映出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教學(xué)中通過對圖像進(jìn)行仔細(xì)的觀察以及細(xì)致的剖析，才能加深對實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)的了解，幫助中學(xué)生強(qiáng)化對化學(xué)概念的理解[3]。單一的教學(xué)方法已不適應(yīng)全面發(fā)展的時(shí)代，DIS實(shí)驗(yàn)不可完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也難以獨(dú)樹一幟。DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)同時(shí)并重，互為補(bǔ)充，相輔相成，既無主次之分，更不能相互替換[4]。把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化整合是現(xiàn)代教學(xué)的須要，是現(xiàn)今時(shí)代培養(yǎng)全面發(fā)展的人的須要。
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