滬科版教材關(guān)于“滑動(dòng)摩擦力與哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

黃啟剛

摘? ?要：滬科版教材“科學(xué)探究：摩擦力”中探究影響滑動(dòng)摩擦力與哪些因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，文字表述和實(shí)驗(yàn)裝置存在一些不足，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)效果。本文探討對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性、科學(xué)性和可靠性。

關(guān)鍵詞：教材;實(shí)驗(yàn);改進(jìn);滑動(dòng)摩擦力

1? 教材實(shí)驗(yàn)回顧

“探究影響滑動(dòng)摩擦力與哪些因素有關(guān)”是初中物理課標(biāo)要求的基本實(shí)驗(yàn)之一[ 1 ]，是初中物理力學(xué)中一個(gè)非常重要的探究實(shí)驗(yàn)。學(xué)生要用轉(zhuǎn)換法和控制變量法間接測(cè)量滑動(dòng)摩擦力的大小，本實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)有良好的導(dǎo)向作用。滬科版八年級(jí)物理教材第六章“科學(xué)探究：摩擦力”是用圖1[ 2 ]所示的器材和步驟來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)不僅要考查學(xué)生使用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量拉力的操作，還要考查學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)換法和控制變量法的應(yīng)用，對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等核心素養(yǎng)要求比較高。通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)有效教學(xué)，能讓學(xué)生突破對(duì)摩擦力概念的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的操作技能，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)。

2? 教材存在的不足

教材中的實(shí)驗(yàn)在文字表述中存在一些不夠科學(xué)、不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?，?shí)驗(yàn)裝置也存在一些不足，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)效果。

2.1? 文字表述不嚴(yán)謹(jǐn)

教材中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)環(huán)節(jié)提到“滑動(dòng)摩擦力與哪些因素有關(guān)”，這里的“滑動(dòng)摩擦力”是滑動(dòng)摩擦力的方向還是大小還是作用點(diǎn)？表述指向不清，不夠規(guī)范。應(yīng)該表述為“滑動(dòng)摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)”。

2.2? 編排邏輯欠科學(xué)

本實(shí)驗(yàn)是用轉(zhuǎn)換法間接測(cè)量摩擦力，要用到“二力平衡條件”知識(shí)。但“二力平衡條件”知識(shí)被安排在了第七章第三節(jié)“力的平衡”中，顯然這種超前安排是不太合理的。對(duì)此不足，教材在“加油站”作了些說明，簡(jiǎn)要描述了實(shí)驗(yàn)的基本原理。但測(cè)量摩擦力的實(shí)驗(yàn)原理沒有二力平衡條件作鋪墊，只作一句簡(jiǎn)要說明，學(xué)生依然容易產(chǎn)生疑惑。這種編排邏輯不盡科學(xué)，最好把“科學(xué)探究摩擦力”安排在第七章“力的平衡”之后再學(xué)習(xí)，學(xué)生理解了二力平衡的條件，要知道滑動(dòng)摩擦力的測(cè)量原理就水到渠成了，這樣安排更符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。

2.3? 實(shí)驗(yàn)裝置有缺陷

滬科版教材按如圖2實(shí)驗(yàn)裝置和方法，把看不見的摩擦力轉(zhuǎn)換為彈簧測(cè)力計(jì)的拉力，可直接在測(cè)力計(jì)上讀出摩擦力的大小。教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置看似簡(jiǎn)單易行，實(shí)則不便于操作：因?yàn)檫@個(gè)探究實(shí)驗(yàn)成功與否，取決于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法是否合理，測(cè)量結(jié)果是否可靠。本實(shí)驗(yàn)要保證木塊在長(zhǎng)木板上勻速直線滑動(dòng)，同時(shí)還要準(zhǔn)確讀數(shù)，但用手直接拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)很難保證木塊始終做勻速直線運(yùn)動(dòng)，其次測(cè)力計(jì)一直在運(yùn)動(dòng)中，較難精確讀數(shù)[ 3 ]。

3? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

滬科版教材在實(shí)驗(yàn)裝置存在一些不足，影響到了實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)效果，使可操作性和可靠性打了折扣。為了克服上述不足，筆者在長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不斷探索，對(duì)此實(shí)驗(yàn)裝置先后作了如下改進(jìn)。

3.1? 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案一

如圖3，把木塊置于長(zhǎng)木板上方，實(shí)驗(yàn)時(shí)固定彈簧測(cè)力計(jì)的拉環(huán)，讓彈簧測(cè)力計(jì)的拉鉤拉著木塊在水平方向保持靜止，再水平向右拉動(dòng)長(zhǎng)木板，此時(shí)木塊的滑動(dòng)摩擦力大小可間接在彈簧測(cè)力計(jì)上讀出來。

優(yōu)點(diǎn)分析：彈簧測(cè)力計(jì)保持靜止?fàn)顟B(tài)，示數(shù)穩(wěn)定，可準(zhǔn)確讀數(shù)。拉動(dòng)長(zhǎng)木板，可使木塊與長(zhǎng)木板之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，效果等同于木塊在長(zhǎng)木板上方滑動(dòng)。木塊同時(shí)受到彈簧測(cè)力計(jì)的拉力和長(zhǎng)木板對(duì)它的摩擦力而保持靜止，由二力平衡條件可知：測(cè)力計(jì)示數(shù)等于木塊受到的摩擦力。因滑動(dòng)摩擦力與物體運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，拉動(dòng)長(zhǎng)木板滑動(dòng)時(shí)可以是變速運(yùn)動(dòng)，也可以是勻速直線運(yùn)動(dòng)[ 4 ]。因而操作簡(jiǎn)單易行，實(shí)驗(yàn)效果明顯改善。

3.2? 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案二

如圖4，在彈簧測(cè)力計(jì)下方墊上一塊高度適宜的木塊，使測(cè)力計(jì)一端固定，另一端拉著長(zhǎng)方體木塊，在水平方向上靜止。給長(zhǎng)木板安裝小輪子，變成平板小車，向右水平拉動(dòng)平板小車，木塊同時(shí)受彈簧測(cè)力計(jì)的拉力和平板小車對(duì)它的摩擦力而保持靜止。彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)就是木塊受到的滑動(dòng)摩擦力。

優(yōu)點(diǎn)分析：在實(shí)驗(yàn)時(shí)給長(zhǎng)木板安裝小輪子，將長(zhǎng)木板變成平板小車，用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，有效減小了長(zhǎng)木板與桌面間的摩擦力，能輕松拉動(dòng)平板小車，使木塊在相對(duì)滑動(dòng)下保持靜止。此外，原有的方案中彈簧測(cè)力計(jì)在實(shí)驗(yàn)過程中始終處于懸空狀態(tài)，在兩端拉力作用下，為保持整個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)水平，彈簧測(cè)力計(jì)的彈簧、指針會(huì)與測(cè)力計(jì)的外殼摩擦，同時(shí)測(cè)力計(jì)的自重也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)在彈簧測(cè)力計(jì)下方墊上一個(gè)長(zhǎng)木塊做支撐，能很好地保持彈簧測(cè)力計(jì)處于水平狀態(tài)，可以避免測(cè)力計(jì)內(nèi)部零件不必要的摩擦，有效克服彈簧測(cè)力計(jì)因摩擦和自重對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，使彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)更穩(wěn)定，讀數(shù)更準(zhǔn)確。

3.3? 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案三

如圖5，將彈簧測(cè)力計(jì)豎直掛起，保持彈簧測(cè)力計(jì)在豎直方向上靜止，拉木塊的細(xì)繩通過定滑輪與測(cè)力計(jì)的掛鉤相連，定滑輪將水平方向的拉力改變成了豎直方向的拉力。用電動(dòng)機(jī)向右拉動(dòng)平板小車，木塊和彈簧測(cè)力計(jì)則保持靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)就是木塊的滑動(dòng)摩擦力大小。

優(yōu)點(diǎn)分析：豎直懸掛的彈簧測(cè)力計(jì)能夠始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，便于準(zhǔn)確讀數(shù)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中克服了彈簧測(cè)力計(jì)內(nèi)部零件的摩擦及其自身重力的影響。用小電動(dòng)機(jī)來拉平板小車可以保持長(zhǎng)木板做水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，使得實(shí)驗(yàn)讀數(shù)誤差進(jìn)一步減小，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，由于小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以方便探究滑動(dòng)摩擦力大小與木塊運(yùn)動(dòng)速度大小的關(guān)系，如表1。

將木塊按不同方法放置可便捷探究滑動(dòng)摩擦力與受力面積大小的關(guān)系;此外用這套裝置還可研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系、做功與能量的關(guān)系、小電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率等。

在實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)的3個(gè)方案中，每種方案都比原來教材中的實(shí)驗(yàn)裝置有所改進(jìn)，而且3個(gè)改進(jìn)方案層層遞進(jìn)，后一種方案在原有方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。到方案三時(shí)，不僅完美地解決了木塊勻速運(yùn)動(dòng)和從彈簧測(cè)力計(jì)上準(zhǔn)確讀數(shù)的問題，還解決了彈簧測(cè)力計(jì)內(nèi)部摩擦、自身重力以及較難拉動(dòng)長(zhǎng)木板的問題，使實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到最佳效果?；趲熒诮虒W(xué)活動(dòng)中不斷發(fā)現(xiàn)新問題并不斷探索解決問題，才得到以上3個(gè)層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案。改進(jìn)方案不斷優(yōu)化目的是要消除無關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，讓實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單易行，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和可靠性，提高實(shí)驗(yàn)效果。同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，以此全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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