研究滑動摩擦力影響因素的實驗優(yōu)化策略

張麗媛

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司技師學(xué)院，山西 大同037003）

0 引言

摩擦力是物理學(xué)科中一個重要的概念，中學(xué)物理教育的其中一個重點就是滑動摩擦定律及其影響因素。但常規(guī)的有關(guān)滑動摩擦力影響的課堂實驗都比較粗糙而且非常缺乏說服力，這導(dǎo)致學(xué)生對其認識有偏差。物理教學(xué)中的學(xué)生自主創(chuàng)新實驗探究是以學(xué)生物理核心素養(yǎng)培育與發(fā)展為路徑的深度學(xué)習(xí)的具體策略與實施，以符合學(xué)生認知規(guī)律和能力發(fā)展水平為前提，以培養(yǎng)學(xué)生探究能力、實踐能力和創(chuàng)新能力為核心。本文通過探究滑動摩擦力大小與接觸面積是否有關(guān)等一些實驗例子，讓學(xué)生既培養(yǎng)了科學(xué)精神又提升了物理核心素養(yǎng)[1]。

1 實驗優(yōu)化的原因

教科書引導(dǎo)學(xué)生猜測影響滑動摩擦力的因素：接觸表面的壓力和粗糙度。在專門針對實驗設(shè)計的部分“如何測量滑動摩擦力”中，教科書告訴學(xué)生：將物體放在水平桌上，并使用彈簧測力計將其水平拉動，以便做勻速直線運動，在這段時間內(nèi)，彈簧測量力顯示的讀數(shù)等于物體受到的滑動摩擦力。這句話雖然很容易理解，但是實際的操作過程卻很困難，其主要的原因在于非常困難的控制物體做勻速直線運動，并且彈簧測力計的讀數(shù)很難控制在誤差范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致實驗的效果不明顯，甚至影響實驗結(jié)論的正確性。

2 情景優(yōu)化設(shè)計

2.1 情景導(dǎo)入

書本介紹了讓木塊在水平面上做勻速直線運動，同學(xué)們需要思考為什么在水平面上需要做勻速直線運動？通過老師的指導(dǎo)學(xué)生們明顯發(fā)現(xiàn)了在水平方向上二力平衡，拉力的大小等于摩擦力的大小；接著讓學(xué)生們嘗試用彈簧測力計拉動木塊，操作后發(fā)現(xiàn)彈簧測力計也在運動，卻很難讀數(shù)而且讀數(shù)很難穩(wěn)定；學(xué)生接著思考如果讓彈簧測力計不動，物體又如何受到的是滑動摩擦力？此時老師給學(xué)生多加一個長木板并引導(dǎo)學(xué)生回憶一下，當(dāng)時學(xué)相對運動的時候，學(xué)生們坐在位置上不動，老師在學(xué)生面前走動，學(xué)生們就想起來他們相對老師是運動的。進行類比后學(xué)生們就很容易看出想要木塊受到滑動摩擦力，那么就需要木塊和它接觸的物體之間是要相對靜止，老師接著引導(dǎo)學(xué)生思考怎么樣讓彈簧測力計拉著木塊相對于地面靜止，然后又能讓木塊和長木板之間發(fā)生的是滑動摩擦力呢？老師引導(dǎo)學(xué)生想到找一個東西讓彈簧測力計固定，然后讓彈簧測力計拉著木塊，再讓長木板在木塊下面運動就能做到。

2.2 書本實驗過程的介紹

用一個鐵架臺將彈簧測力計固定，拉動木塊下面的長木板，木塊和長木板之間發(fā)生了相對運動，他們之間發(fā)生的運動就是滑動摩擦力。

2.3 實驗示范

老師給學(xué)生進行示范并與同學(xué)們一起分析木塊的受力情況，在示范過程中老師提出木塊和長木板之間發(fā)生了相對運動，但是木塊相對于地面是靜止的，那么木塊在水平方向上受到哪些力？學(xué)生們很容易的說出是彈簧測力計對木塊的拉力，和長木板對它的摩擦力。然后接著提出木塊受到的摩擦力等于多少？引導(dǎo)學(xué)生想到木塊相對于地面靜止，那么在水平方向上受力平衡，木塊受到的拉力大小就等于它受到的摩擦力的大小。這樣就可以測量出摩擦力的大小。讓學(xué)生了解到這些知識后，把老師用的彈簧測力計改為學(xué)生用彈簧測力計后，讓學(xué)生們親自進行操作。

2.4 實驗小結(jié)

師：大家都能夠很好的測量出物體受到的摩擦力的大小。那么接下來請大家回憶一下，剛才我們在測量滑動摩擦力的實驗過程中，請思考長木板的運動快慢會不會影響到木塊受到的摩擦力？木塊受到的摩擦力的大小可能和什么因素有關(guān)呢？請同學(xué)進行實驗。

3 實驗優(yōu)化的過程

3.1 策略一

在原本的實驗過程中拉動長的木板時，雖然在做勻速直線運動的前提下，彈簧測力計的示數(shù)就是木塊受到的摩擦力大小。但在此過程中非常難做到彈簧測力計始終保持水平狀態(tài)，這就會可能發(fā)生讀出的度數(shù)不準確，進而造成誤差較大。

就以上問題可在改變拉力的方向加上一個定滑輪。加上定滑輪之后，彈簧測力計就由水平測量改變成了豎直測量，誤差因此就減小了。但隨之而來又出現(xiàn)了一個這樣的問題：對于初次接觸物理中力學(xué)的初二學(xué)生，還是很難理解這個實驗的實驗原理，同時也有部分同學(xué)對物體受摩擦力的大小、方向產(chǎn)生疑惑[2]。

3.2 策略二

一次偶然的機會下發(fā)現(xiàn)了玩具汽車自帶的發(fā)動機是屬于勻速自轉(zhuǎn)，馬上就想起有關(guān)于滑動摩擦力的實驗，開始了此次的優(yōu)化實驗。

為了減少彈簧測力計因使用方向而產(chǎn)生的誤差和保證物體做勻速直線運動，而采取彈簧測力計夾在發(fā)動機頂部并且保持豎直狀態(tài)，繞過定滑輪在水平面上使木塊做勻速直線運動。這樣的操作簡化了實驗步驟，此實驗需要學(xué)生做的就是輕輕按動開關(guān)，觀察物體的運動狀態(tài)及彈簧測力計的示數(shù)。雖然這兩大問題得到了解決，但是仍存在實驗用具不方便攜帶、老師進行實驗操作時學(xué)生觀看實驗受視野范圍的影響[3]。

3.3 策略三

在一次教學(xué)過程中，看到板擦吸附在了黑板上，想到可以通過磁石將所有物體吸附在黑板上，這樣也可將長木板和定滑輪均更換成磁石，做法如下：

（1）玩具汽車的電動機勻速轉(zhuǎn)動，拉動三個分別編號為1、2、3號實驗盒的物體做勻速直線運動，像透明可視的1號實驗盒放入4個磁鐵，2號實驗盒放入3個磁鐵，3號實驗盒放入1塊小木塊與2個磁鐵，這樣做的目的是使其2號和3號的重力一樣，但壓力又有所不同，通過讀取彈簧測力計看到1號實驗盒測力計示數(shù)最大、2、3號相對較小。老師應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生做出正確的實驗并且引導(dǎo)得出正確的實驗結(jié)論。此套實驗用具的優(yōu)點是保證小木塊做勻速直線運動，解決了教材中不能實現(xiàn)的問題[4]。

（2）2號、4號實驗盒的接觸面積不同，磁鐵個數(shù)相同時在電動機的帶動下小木塊做勻速直線運動。學(xué)生通過觀察彈簧測力計示數(shù)時，發(fā)現(xiàn)其示數(shù)是相同的。由此得出結(jié)論滑動摩擦力的大小和小物塊的接觸面積沒有關(guān)系。

（3）2號、4號實驗盒在電動機的帶動下，以不同的初速度做勻速直線運動，但在軌道上同時設(shè)置3個控制按鈕，從左到右依次排開，分別為啟動、停止、變速這三個按鈕。只需要按下第三個按鈕，兩個輸出端即2號、4號實驗盒就會以不同的初速度勻速直線前進，這是通過改變實驗步驟來實現(xiàn)兩臺電動機的輸出功率不同。通過實驗得出盡管速度不同，彈簧測力計的示數(shù)卻相同，說明滑動摩擦力大小與物體運動速度沒有關(guān)系。

（4）2號、5號實驗盒 （磁鐵個數(shù)相同但接觸面的粗糙程度不同，5號實驗盒底部放了砂紙）在電動機的帶動下做勻速直線運動。通過實驗可以看出，拉動底部有砂紙的5號實驗盒的測力計示數(shù)大，可以判斷出滑動摩擦力大小與接觸面粗糙程度的關(guān)系。也可以通過改變砂紙的目數(shù)改變接觸面的粗糙程度。

4 教學(xué)反思

教學(xué)要以學(xué)生為主體。老師要學(xué)會引導(dǎo)學(xué)生，用合適的教學(xué)方法和策略促進學(xué)生核心素養(yǎng)的提升，研究方案的選擇，數(shù)據(jù)的處理都要在學(xué)生共同參與中完成，使學(xué)生的知識是自主獲得的生成的。能夠?qū)φn本質(zhì)疑，用質(zhì)疑評價培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能力，將學(xué)習(xí)推向深入，體現(xiàn)對學(xué)生批判思維的培養(yǎng)。

5 結(jié)語

通過以上的實驗操作，幫助學(xué)生加深學(xué)習(xí)的記憶能掌握并靈活運用其中的物理規(guī)律。在實際教學(xué)過程中，要根據(jù)教學(xué)的實際需求，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生科學(xué)合理地設(shè)計實驗思路，以保證實驗真實可行。促使學(xué)生增加學(xué)習(xí)物理知識的熱情。人為操作不可能保證物體做勻速直線運動。這樣在實際教學(xué)中實驗就會進入這樣的尷尬境地：不做這個實驗不利于學(xué)生理解實驗原理和滑動摩擦力的影響因素，做這個實驗由于物體不能勻速直線運動導(dǎo)致示數(shù)不穩(wěn)定，不可能得出令人信服的實驗數(shù)據(jù)。

在科學(xué)實驗中要注意引導(dǎo)學(xué)生的實驗思路，懂得什么是控制變量法，簡單地說就是變哪個變量就觀察哪個，重復(fù)此操作步驟。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、實驗探究的思維能力。教學(xué)一般采用的是分級實驗探究的方式，幫助學(xué)生全面認識摩擦力，自主明確其探究的具體任務(wù)。例如，在探究滑動摩擦力大小的影響因素的時候，讓學(xué)生提出猜想后，再設(shè)計基本思路；在探討測量摩擦力問題的時候，老師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生先說出實驗原理，再規(guī)范思路來探究實驗積累經(jīng)驗，并落實本節(jié)實驗需要注意的重點問題。解決實驗中產(chǎn)生了小物塊不能勻速直線運動所導(dǎo)致的分歧。老師進一步引導(dǎo)學(xué)生思考以下的問題：“滑動摩擦力與物體速度有關(guān)嗎”讓學(xué)生設(shè)計實驗解決本節(jié)所遇到的重點問題，加上之前分析，所以解決此問題并不難。在教學(xué)進入了困境的時候，老師和學(xué)生要開發(fā)思路自主制造實驗儀器。通過樣的設(shè)計可以讓學(xué)生在思辨中加深對物理概念的理解，自然地發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性[5]。