基于PASCO二維力平臺(tái)的中學(xué)物理拓展性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——以“摩擦力”為例

黃 穎 李基正 葉澤波 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

判斷摩擦力的大小和方向是中學(xué)力學(xué)的難點(diǎn)，許多有關(guān)摩擦力的問(wèn)題與生活實(shí)際密切聯(lián)系，且多為動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，需要學(xué)生充分展開(kāi)想象才能了解其運(yùn)動(dòng)過(guò)程.而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中僅用彈簧測(cè)力計(jì)與木塊等實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法實(shí)時(shí)展示摩擦力的方向與大小，且與真實(shí)的生活情景脫節(jié)，造成學(xué)生無(wú)法客觀有效地對(duì)生活中常見(jiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行分析[1].進(jìn)行課外拓展實(shí)驗(yàn)可有效幫助學(xué)生克服以上難點(diǎn).基于上述問(wèn)題，本研究將利用PASCO系統(tǒng)設(shè)計(jì)課外拓展實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生對(duì)生活中跳遠(yuǎn)、騎車時(shí)摩擦力的方向和大小進(jìn)行拓展研究.不僅可以補(bǔ)充教材中的實(shí)驗(yàn)，還可以讓學(xué)生親身體會(huì)物理與生活息息相關(guān)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力.

1 PASCO系統(tǒng)簡(jiǎn)介

PASCO系統(tǒng)是采用傳感器和數(shù)據(jù)采集器接口，通過(guò)PASCO Capstone操作平臺(tái)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).利用Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行戶內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在采集器的顯示屏或電腦中對(duì)一個(gè)甚至是多個(gè)物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和研究[2,3].PASCO二維力平臺(tái)是該系統(tǒng)的一種傳感器，能夠同時(shí)測(cè)量物體豎直方向與前后方向的受力情況，實(shí)時(shí)記錄整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中力的大小與方向變化.靈敏度高，操作性強(qiáng)，便于學(xué)生自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.

2 實(shí)驗(yàn)原理分析

2.1 立定跳遠(yuǎn)

學(xué)生立定跳遠(yuǎn)時(shí)借助蹬地時(shí)的摩擦力獲得較大的加速度躍出[4].其在起跳時(shí)，豎直方向上受到重力和支持力，水平方向上受到摩擦力，受力分析如圖1所示.跳出不同的水平距離時(shí)，被測(cè)量人在豎直方向和水平方向的受力情況，探究跳遠(yuǎn)距離與受力大小與方向的關(guān)系.

圖1 立定跳遠(yuǎn)起跳時(shí)的受力分析

2.2 自行車前進(jìn)

當(dāng)推車前進(jìn)時(shí)，前、后輪與地面接觸點(diǎn)相對(duì)地面向前運(yùn)動(dòng)，因而車輪均受到向后的摩擦力，阻礙其前進(jìn)，摩擦力的分析如圖2所示.

圖2 推車前進(jìn)時(shí)前后輪所受摩擦力

當(dāng)騎車前進(jìn)時(shí)，腳踏板帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，后輪與地面接觸點(diǎn)相對(duì)地面有向后運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，受到向前的摩擦力，驅(qū)動(dòng)自行車前進(jìn)；由于自行車兩輪之間距離不變，則此時(shí)前輪與地面接觸點(diǎn)相對(duì)地面有向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，受到向后的摩擦力，作為阻力阻礙自行車前進(jìn)，摩擦力的分析如圖3所示[5,6].

圖3 騎車前進(jìn)時(shí)前后輪所受摩擦力

3 實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

3.1 探究立定跳遠(yuǎn)距離與受力情況的關(guān)系

(1)將二維力平臺(tái)放置在地面上，并與GLX數(shù)據(jù)采集器、電腦進(jìn)行連接，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.

圖4 “探究跳遠(yuǎn)距離與受力情況的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置

(2)打開(kāi)PASCO Capstone，新建兩個(gè)圖，將圖5(a)的縱坐標(biāo)標(biāo)簽設(shè)置為“法向力”，圖5(b)的縱坐標(biāo)標(biāo)簽設(shè)置為“平行力”，規(guī)定跳躍方向?yàn)檎较?

(3)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的快慢設(shè)置合適的采樣頻率，對(duì)二維力平臺(tái)調(diào)零.

(4)實(shí)驗(yàn)者站在二維力平臺(tái)上，點(diǎn)擊“記錄”按鈕，向前跳大約0.4 m；點(diǎn)擊“停止”，此時(shí)平臺(tái)已經(jīng)記錄了此次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，標(biāo)記數(shù)據(jù)峰值，如圖5所示，重復(fù)測(cè)量5次.

(5)依次改變跳遠(yuǎn)距離為0.8 m，1.2 m，1.6 m和2.0 m，重復(fù)步驟(2)、(3)、(4)，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

(6)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析.

圖5 跳遠(yuǎn)距離為0.4 m時(shí)人的受力情況

3.2 探究自行車前進(jìn)過(guò)程中前后輪的受力情況

(1)將二維力平臺(tái)放置于水平地面上，并與數(shù)據(jù)采集器、電腦依次連接，用木板搭建好與平臺(tái)等高的通道，如圖6所示.

圖6 “探究自行車前進(jìn)過(guò)程中前后輪的受力情況”實(shí)驗(yàn)裝置

(2)打開(kāi)PASCO Capstone軟件，新建圖表，將縱坐標(biāo)標(biāo)簽設(shè)置為“水平力”，取自行車前進(jìn)方向?yàn)檎较?

(3)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的快慢設(shè)置合適的采樣頻率，對(duì)二維力平臺(tái)調(diào)零.

(4)點(diǎn)擊“記錄”，推車勻速通過(guò)二維力平臺(tái)，點(diǎn)擊“停止”，記錄下推車通過(guò)時(shí)前后輪受到的摩擦力情況，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

(5)重復(fù)步驟(2)、(3)，再次點(diǎn)擊“記錄”，騎車通過(guò)二維力平臺(tái)后點(diǎn)擊“停止”，則平臺(tái)記錄下騎車通過(guò)時(shí)前后輪受到的摩擦力，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

(6)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

4.1 跳遠(yuǎn)距離與受力情況的關(guān)系

記錄不同的跳遠(yuǎn)距離對(duì)應(yīng)的平行力(即摩擦力f)的峰值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 不同跳遠(yuǎn)距離對(duì)應(yīng)的摩擦力f的峰值

記錄不同的跳遠(yuǎn)距離對(duì)應(yīng)的法向力(即支持力FN)的峰值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.求出每個(gè)距離對(duì)應(yīng)的力的平均值，分別記錄在表格中.

表2 不同跳遠(yuǎn)距離對(duì)應(yīng)的支持力FN的峰值

根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，利用Excel做出跳遠(yuǎn)距離與f和FN的平均值的關(guān)系圖線如圖7和圖8所示.

圖7 跳遠(yuǎn)的距離與摩擦力峰值的關(guān)系

圖8 跳遠(yuǎn)的距離與支持力峰值的關(guān)系

從圖7和圖8可以直觀看到：人所受到的摩擦力隨著跳遠(yuǎn)距離的增加逐漸遞增，且摩擦力f的方向都為正方向；而隨著跳遠(yuǎn)距離的增加，人在豎直方向受到的支持力FN并無(wú)明顯變化.由此可知，立定跳遠(yuǎn)的距離與水平方向上的摩擦力有關(guān)，且呈正相關(guān)，與豎直方向上的支持力無(wú)明顯關(guān)系.

4.2 自行車前進(jìn)過(guò)程中前后輪的受力情況

自行車推行通過(guò)二維力平臺(tái)后得到的結(jié)果如圖9所示.從圖9中可知車在推行過(guò)程中前后輪所受摩擦力方向均向后，此時(shí)摩擦力均為阻力.由于人在推行過(guò)程中手對(duì)車把施加了壓力，導(dǎo)致前輪所受摩擦力略大于后輪所受摩擦力.

圖9 自行車推行過(guò)程中前后輪所受摩擦力

如圖10所示，自行車沿直線騎行通過(guò)二維力平臺(tái)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖10 自行車騎行過(guò)程中前后輪所受摩擦力

從圖中可明顯觀察到騎行過(guò)程中前后輪所受摩擦力方向相反，前輪所受摩擦力為阻力，后輪所受摩擦力為動(dòng)力，且動(dòng)力大于阻力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)自行車向前運(yùn)動(dòng).

5 總結(jié)

跳遠(yuǎn)和騎自行車等體育運(yùn)動(dòng)是中學(xué)生生活中不可或缺的一部分，也蘊(yùn)含了深刻的物理規(guī)律.通過(guò)課外拓展實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將知識(shí)與實(shí)際生活聯(lián)系起來(lái)，為他們學(xué)習(xí)更為復(fù)雜的摩擦力奠定基礎(chǔ)；加深了學(xué)生對(duì)受力分析的理解，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還提高了實(shí)踐創(chuàng)新能力.另外，利用PASCO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)更為方便直觀，可直接用于戶外實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生進(jìn)行課外探究，提高學(xué)生科學(xué)探究的能力與興趣，拓展課內(nèi)知識(shí)，高效快捷.