創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)教具 核心素養(yǎng)精準(zhǔn)落實(shí)

孫琦

摘 要：本文介紹了如何制作一個(gè)演示摩擦力方向的教具以及如何應(yīng)用教具判斷摩擦力方向，實(shí)驗(yàn)通過LED燈的亮暗來顯示出摩擦力的方向，給學(xué)生留下深刻的印象，為學(xué)生以后深刻理解摩擦力的方向留下豐富的表象.

關(guān)鍵詞：摩擦力;力的方向;LED燈;相對(duì)運(yùn)動(dòng)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）17-0042中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 提出問題

要想精準(zhǔn)落實(shí)新課標(biāo)指引下的物理核心素養(yǎng)教學(xué)，就要了解影響學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的難點(diǎn).影響學(xué)生認(rèn)知提升的障礙有多種因素，比如前概念的干擾性，物理問題情境的復(fù)雜性，物理模型建構(gòu)的抽象性，物理知識(shí)邏輯的系統(tǒng)性等等.其摩擦力的方向判斷是高中物理力學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，特別是對(duì)于分析能力較弱的同學(xué)，由于摩擦力有靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力兩種，學(xué)生很容易混淆二者.為此筆者設(shè)計(jì)制作了摩擦力方向演示儀，來演示靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的方向，以有效地解決教學(xué)難點(diǎn)，精準(zhǔn)落實(shí)核心素養(yǎng).

2 實(shí)驗(yàn)原理

軌道小車在外力（或重力分力）作用下會(huì)沿著軌道發(fā)生微小位移，如果小車向左移動(dòng)如圖1（a）中所示，復(fù)位開關(guān)A（里面有彈簧）接通電路，紅色LED發(fā)光， 顯示出儀器受到的摩擦力方向向右.當(dāng)小車在外力（或重力分力）作用下向右發(fā)生微小位移如圖1（a）中復(fù)位開關(guān)B接通電路，藍(lán)色LED亮起來，顯示出儀器受到的摩擦力方向左.撤去外力后，在兩個(gè)復(fù)位開關(guān)中，在彈簧彈力作用下小車回到到最初位置電路斷開，顯示沒有摩擦力.實(shí)驗(yàn)中通過LED燈的亮與暗來顯示出摩擦力的有無和方向.當(dāng)外力較小時(shí)小車發(fā)生微小位移，整個(gè)儀器（如圖1實(shí)驗(yàn)原理圖B所示）處于靜止?fàn)顟B(tài)，可以根據(jù)彈簧秤讀數(shù)顯示出摩擦力大小，通過紅色和藍(lán)色LED亮顯示出摩擦力方向.如果外力較大，會(huì)使得整個(gè)儀器在桌面上發(fā)生滑動(dòng)（相對(duì)桌面移動(dòng)），此時(shí)顯示出儀器受到摩擦力方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反.通過實(shí)驗(yàn)可以歸納出來，儀器受到靜摩擦力時(shí)摩擦力方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反，儀器受到滑動(dòng)摩擦力時(shí)，滑動(dòng)摩擦力方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，通過實(shí)驗(yàn)有效突破了摩擦力方向的教學(xué)難點(diǎn).

3 實(shí)驗(yàn)材料及工具

實(shí)驗(yàn)室標(biāo)配的塑料小車及配套鋁制軌道1個(gè)、4.5V紅色和藍(lán)色LED燈帶各1個(gè)、三節(jié)5號(hào)1.5V干電池和電池盒、J2515—G型雙縫干涉單縫衍射觀察儀木盒1個(gè)（制作儀器底座）、長(zhǎng)1cm木工螺絲5個(gè)、長(zhǎng)5cm的木工螺絲2個(gè)、長(zhǎng)3cm直徑0.8cm螺桿2個(gè)螺母配4個(gè)、10×15×2cm配重木塊1個(gè)、22cm×31cm硬紙板1塊、雙面膠帶1卷、導(dǎo)線若干、剪刀、十字螺絲刀、電鉆、鋁材切割機(jī)等.

4 實(shí)驗(yàn)儀器制作

4.1 制作底座和小車軌道

在小車軌道上用切割機(jī)或者鐵鋸條（手鋸）截取16cm，然后將木盒截取12.5cm將鋁制軌道放入木盒中.在木盒適當(dāng)位置用電鉆鉆3個(gè)直徑為8mm 的小孔（如圖2）1、2、3位置.然后在孔1、2位置位置擰上兩個(gè)長(zhǎng)3cm直徑0.8cm螺桿，在內(nèi)外分別擰一個(gè)螺母，這樣既可以固定螺桿位置也可以調(diào)節(jié)螺桿的長(zhǎng)度.

4.2 制作移動(dòng)小車

在塑料小車上用電鉆鉆孔（如圖3），鉆孔4、5、6、7孔直徑8 mm，然后將復(fù)位開關(guān)A、B穿過孔4、7同時(shí)用熱熔膠固定復(fù)位開關(guān)A、B.購買的兩個(gè)LED燈帶都帶有一個(gè)三節(jié)5號(hào)1.5V的干電池盒，將兩個(gè)燈帶并聯(lián)到電池盒上，同時(shí)將復(fù)位開關(guān)串聯(lián)到電路中，如圖3（a）所示.電池盒的長(zhǎng)度比塑料小車略寬，需要將塑料小車鋸開缺口，大小恰好放入電池盒為宜.

4.3 制作配重木塊

在厚木板上截取長(zhǎng)16cm、寬10cm、厚度約2.5cm左右的木板，用電鉆在木塊上適當(dāng)位置打兩個(gè)孔，將配重木塊放到小車上，先擰上木工螺絲，然后用筆在塑料小車上標(biāo)記位置，用電鉆打小孔，不要打穿，然后用十字螺絲刀將木工螺絲擰緊，這樣配重木塊就固定在小車上了.

在安裝之前在兩側(cè)分別固定橡皮筋方便實(shí)驗(yàn)操作.

4.4 制作外包裝盒和粘貼燈帶

將長(zhǎng)硬紙板沿著31cm方向等分成三份，在紙板內(nèi)側(cè)三等分的兩個(gè)折痕處用剪刀（或壁紙刀）和刻度尺輕輕割開，不能割破，大約裁剪紙板厚度一半，裁剪出一小條方便折疊.然后將前面連接好的LED燈帶穿過圖2的孔3同時(shí)穿過外包裝盒，用長(zhǎng)1cm木工螺絲將包裝盒固定在底座木盒上.然后用雙面膠將LED燈帶粘貼到包裝盒上儀器成品如圖5所示，如果外觀想要進(jìn)一步美化可以在外面粘貼彩紙.

5 實(shí)驗(yàn)儀器演示

5.1 演示靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力方向

用手拉左側(cè)橡皮筋，稍微用力使物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，右側(cè)紅燈亮顯示出物體受到的靜摩擦力向右.向左加大拉力，使物體沿著桌面向左滑動(dòng)，發(fā)現(xiàn)右側(cè)紅燈亮，說明物體相對(duì)桌面向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)摩擦力方向向右，如圖6所示.用手拉右側(cè)橡皮筋，稍微用力使物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，左側(cè)籃燈亮顯示出物體受到的靜摩擦力向左.向右加大拉力，使物體沿著桌面向右滑動(dòng)，發(fā)現(xiàn)左側(cè)籃燈亮，說明物體相對(duì)桌面向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)摩擦力方向向右，如圖6所示.通過以上實(shí)驗(yàn)可以直接判斷出靜摩擦力反向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反.滑動(dòng)摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反.通過實(shí)驗(yàn)得藍(lán)燈亮摩擦力向左，紅燈亮摩擦力向右.

5.2 演示物體相對(duì)傳動(dòng)帶靜止時(shí)摩擦力方向

5.2.1 演示傳送帶水平啟動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、勻減速停止過程中摩擦力方向

將物體放到水平的傳動(dòng)帶上（實(shí)驗(yàn)過程中始終與傳送帶保持相對(duì)靜止），傳送帶運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)樗较蜃?如圖7所示，接通電源傳動(dòng)帶啟動(dòng)，物體在傳動(dòng)帶帶動(dòng)下向左加速，此時(shí)藍(lán)燈亮顯示出靜摩擦力的方向水平向左.然后勻速運(yùn)動(dòng)以后顯示沒有摩擦力，關(guān)閉電源傳送帶停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)紅燈亮顯示靜摩擦力方向水平向右.

通過實(shí)驗(yàn)（或者提前拍攝好錄像）因?yàn)閭魉蛶П容^大不方便教師在課堂上搬運(yùn)，所以教師可以在實(shí)驗(yàn)室用傳送帶提前錄制好實(shí)驗(yàn)視頻.教師先讓學(xué)生分析在三個(gè)過程中是否有摩擦力，然后實(shí)驗(yàn)探究摩擦力方向最后再受力分析理論探究摩擦力方向.通過三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)以后學(xué)生會(huì)正確理解和掌握傳送帶問題時(shí)靜摩擦力方向.

與圖7情境類似的情境是物體在拉力作用下啟動(dòng)、勻速和停止過程中物體受到的滑動(dòng)摩擦力方向始終與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，如圖8所示.圖7中物體相對(duì)傳動(dòng)帶靜止，物體受到的是靜摩擦力，而圖8所示情境是滑動(dòng)摩擦力，同樣是啟動(dòng)、勻速和停止（剎車）的運(yùn)動(dòng)過程，通過比較使得學(xué)生明確滑動(dòng)摩擦力方向與靜摩擦力方向判斷方法的區(qū)別.

5.2.2 演示傳送帶傾斜勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)靜摩擦力方向

物體放到傾斜勻速運(yùn)動(dòng)的傳送帶上（相對(duì)傳動(dòng)帶靜止）傳送帶勻速向上運(yùn)動(dòng)物體受到的靜摩擦力向上.當(dāng)物體放到勻速向下運(yùn)動(dòng)的傳送帶上（相對(duì)傳送帶靜止）物體受到的靜摩擦力也是向上的.對(duì)于這個(gè)問題學(xué)習(xí)能力較弱的同學(xué)會(huì)認(rèn)為，傳送帶勻速向上運(yùn)動(dòng)時(shí)靜摩擦力向上，而勻速向下運(yùn)動(dòng)時(shí)靜摩擦力是向下的.此處教學(xué)還是先提出問題讓學(xué)生自己分析，有一些同學(xué)分析問題憑感覺而不是依據(jù)物理原理分析，同學(xué)分析的結(jié)果必然是不同的.然后如圖9所示，用實(shí)驗(yàn)儀器探究在傳送帶勻速向下和勻速向上運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力的方向都是向上的.最后教師提示，根據(jù)勻速運(yùn)動(dòng)合力為零，重力沿著斜面向下的分力和靜摩擦力必然大小相等方向相反.通過三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置，學(xué)生會(huì)正確理解和掌握在傾斜勻速運(yùn)動(dòng)傳送帶上物體受到的靜摩擦力方向都是沿著斜面向上的.

5.3 演示物體相對(duì)傳動(dòng)帶有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)滑動(dòng)摩擦力方向

如圖10所示，打開開關(guān)讓傳送帶勻速運(yùn)動(dòng)，用手控制物體使物體處于靜止?fàn)顟B(tài).然后從靜止釋放物體，觀察到物體靜止時(shí)物體受到的滑動(dòng)摩擦力向左.然后從靜止釋放物體，在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到物體受到的滑動(dòng)摩擦力還是向左的.經(jīng)過較短時(shí)間后發(fā)現(xiàn)物體在加速到與傳送帶相同速度以后不受到摩擦力.為了增加演示性可以用手機(jī)慢動(dòng)作錄像回放.

5.4 演示物體隨著轉(zhuǎn)盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)靜摩擦力方向

物體隨著轉(zhuǎn)盤做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力來源是高中物理教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn).用手控制物體在水平面內(nèi)做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬物體在水平轉(zhuǎn)盤上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)情境.通過實(shí)驗(yàn)可以直觀顯示出物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的向心力是由靜摩擦力提供，并指向圓心.

通過實(shí)驗(yàn)可以突破水平轉(zhuǎn)盤內(nèi)物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)向心力來源的教學(xué)難點(diǎn).

5.5 演示物體靜止在斜面上在外力作用下靜摩擦力方向變化

如圖11所示，將物體放在斜面上物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，在重力沿著斜面向下的分力作用下，物體有沿斜面向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，紅燈亮顯示出靜摩擦力方向沿著斜面向上.沿著斜面拉橡皮筋當(dāng)拉力等于重力分力時(shí)，物體沒有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，物體受到的靜摩擦力為零.增大拉力，當(dāng)拉力大于重力沿著斜面向下分力物體有沿斜面向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，藍(lán)燈亮此時(shí)靜摩擦力方向沿著斜面向下.通過實(shí)驗(yàn)演示出在拉力作用下靜摩擦力方向的變化.

6 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)具有有效性，實(shí)驗(yàn)有效解決的摩擦力（靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力）方向的無法直接觀察，通過LED燈帶的亮暗來直觀顯示出摩擦力的方向，有效解決摩擦力方向教學(xué)難點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)具有可視性，實(shí)驗(yàn)采用LED燈帶來顯示摩擦力方向，在教室內(nèi)的任意角落都可以觀察到印象，通過簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)給學(xué)生留下深刻的印象，有利于為以后學(xué)生對(duì)摩擦力方向的判斷.

實(shí)驗(yàn)具有可操作性，精確調(diào)整好實(shí)驗(yàn)的彈簧復(fù)位開關(guān)，實(shí)驗(yàn)成功率百分之百，實(shí)驗(yàn)的精確程度可以通過調(diào)節(jié)兩個(gè)觸控螺桿與復(fù)位開關(guān)的距離來控制.

實(shí)驗(yàn)具有低成本性，實(shí)驗(yàn)制作中用到的材料基本都是實(shí)驗(yàn)室有的，僅僅需要購買兩個(gè)LED燈帶和兩個(gè)復(fù)位開關(guān)，實(shí)驗(yàn)成本大約30元左右.

實(shí)驗(yàn)中需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，實(shí)驗(yàn)靈敏度與教具的對(duì)稱性和復(fù)位開關(guān)的彈簧勁度系數(shù)有關(guān)，左右兩個(gè)復(fù)位開關(guān)的正中心應(yīng)該與觸碰螺桿正中心對(duì)齊，復(fù)位開關(guān)彈簧的勁度系數(shù)是由生產(chǎn)廠家決定，可以通過調(diào)節(jié)不同的復(fù)位開關(guān)來改進(jìn)靈敏度.

7 小結(jié)

物理教學(xué)過程中教師要不斷的思考如何精準(zhǔn)落實(shí)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，教師要了解整個(gè)物理知識(shí)體系的學(xué)習(xí)難點(diǎn)在哪里，如何根據(jù)高中學(xué)生的特點(diǎn)思考解決教學(xué)難點(diǎn)的策略和方法.其中創(chuàng)新物理演示實(shí)驗(yàn)是一條有效的教學(xué)策略，教師不斷積累學(xué)生學(xué)習(xí)的疑難問題，然后通過創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)突破學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的障礙，這是一種精準(zhǔn)體現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的策略.

參考文獻(xiàn)：

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