摘 要:本文以“研究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗為例,介紹了教師如何根據(jù)核心素養(yǎng)的要求,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計。這有助于強(qiáng)化學(xué)生的物理觀念,引導(dǎo)他們更深入地理解物理概念,并培養(yǎng)他們的科學(xué)思維。通過這樣的教學(xué)方法,教師能夠幫助學(xué)生實現(xiàn)從單純的解題向解決實際問題的轉(zhuǎn)變,從而促進(jìn)其核心素養(yǎng)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞:物理實驗;摩擦力;核心素養(yǎng)
《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》中提到,物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng),主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。[1]這就要求教師在日常的實驗教學(xué)中,不僅要將學(xué)生置于主體地位,還要關(guān)注教材中可能存在的設(shè)計缺陷。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計,幫助他們找到適合自己的探究方法。通過以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的物理實驗設(shè)計,學(xué)生可以在實踐中提高動手能力,同時在思考和解決問題的過程中深化對物理問題的理解。
本文以人教版《義務(wù)教育教科書 物理 八年級 下冊》的實驗教學(xué)內(nèi)容“研究影響滑動摩擦力大小的因素”為例,詳細(xì)闡述了教師如何指導(dǎo)學(xué)生針對現(xiàn)有物理實驗的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
1 原有實驗
在“研究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗中,首先,學(xué)生需要完成一個基礎(chǔ)實驗——“測量滑動摩擦力”,以理解二力平衡的條件,掌握二力平衡的應(yīng)用,如圖1所示。接著,學(xué)生將運用控制變量法和二力平衡原理,進(jìn)一步研究影響滑動摩擦力大小的因素,如圖2所示。
學(xué)生在教師的引導(dǎo)下,學(xué)習(xí)實驗原理和操作步驟,然后進(jìn)行實驗操作,得到實驗數(shù)據(jù),如表1所示。
2 引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)原有實驗的不足之處
2.1 教學(xué)片段1
教師:請同學(xué)們觀察實驗數(shù)據(jù),歸納出影響滑動摩擦力大小的因素。
學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù),歸納實驗結(jié)論。
學(xué)生1:比較第1、2組數(shù)據(jù)可以得出,在接觸面粗糙程度相同時,壓力越大,滑動摩擦力越大。
學(xué)生2:比較第1、3、4組數(shù)據(jù)可以得出,在壓力大小相同時,接觸面越粗糙,滑動摩擦力越大。
教師:僅憑一次實驗,可以得出具有普遍性的實驗結(jié)論嗎?
學(xué)生1:不能,應(yīng)該多次重復(fù)以上實驗,使實驗結(jié)論更加具有普遍性。
教師:很好。請問在操作過程中有哪些步驟是不容易操作的,或者是會引起較大誤差的?
學(xué)生3:在實驗過程中很難做到勻速拉動木塊,木塊實際受到的摩擦力和彈簧測力計示數(shù)不相等,而且拉動木塊時彈簧測力計還會晃動,讀數(shù)誤差比較大。
教師:同學(xué)們觀察非常細(xì)心,那么有什么方法可以解決這些問題呢?請大家課后查閱資料,下節(jié)實踐課來分享解決方案。
2.2 教學(xué)片段2
教師:上節(jié)課留下的問題,同學(xué)們找到解決的方案了嗎?
學(xué)生4:通過查閱資料,我們發(fā)現(xiàn),按照圖3重新設(shè)計實驗方案,可以實現(xiàn)即使不勻速拉動物體A,物體B在水平方向上也能保持受力平衡,如圖4所示。在這種情況下,由于物體B保持靜止,彈簧測力計對物體B施加的水平向左的拉力F左等于物體A給它水平向右的摩擦力f,即F左=f。因為f是滑動摩擦力,它只與壓力的大小、接觸面的粗糙程度有關(guān),而與速度v無關(guān)。因此,即使物體A的運動不是勻速的,物體B受到的滑動摩擦力f的大小也不會改變。這一改進(jìn)為實驗操作帶來了極大的便利性。
教師對學(xué)生4的方案給予了高度的肯定。這表明,通過自主的課外學(xué)習(xí),同學(xué)們的知識和技能能夠獲得顯著的提升。
3 引導(dǎo)學(xué)生對實驗方案進(jìn)行優(yōu)化
3.1 教學(xué)片段3——提出問題
教師:請同學(xué)們仔細(xì)觀察圖3,思考以下幾個問題。
第一,水平拉動物體A時,物體A受到幾個摩擦力的作用?
第二,圖3中水平放置的彈簧測力計,它能否呈理想的水平狀態(tài),為什么?
第三,當(dāng)接觸面的粗糙程度一定時,在物體的壓力、質(zhì)量和重力中,到底哪些因素會影響滑動摩擦力的大?。?/p>
學(xué)生5:我認(rèn)為圖3的方案還存在以下問題。
第一,實驗過程中,物體A會受到地面和物體B共同施加的摩擦力,不易拉動物體A。
第二,實驗過程中,彈簧測力計本身的重力會讓物體B受到的拉力F左略微偏離水平方向。
學(xué)生6:關(guān)于教師提出的第三個問題,在接觸面的粗糙程度一定時,壓力越大,滑動摩擦力越大,壓力才是影響因素。但是,我不明白為什么質(zhì)量和重力就不是影響的因素?
教師:從學(xué)生5提出的問題中,我們了解到圖3的方案存在明顯的不足。此外,還有兩個關(guān)鍵點需要我們關(guān)注。首先,當(dāng)探究滑動摩擦力的大小是否與接觸面的粗糙程度有關(guān)時,我們需要準(zhǔn)備多個粗糙程度不同的物體與物體B接觸,這在操作上可能不太方便。其次,對于學(xué)生6的疑問,我們是否可以設(shè)計一套實驗裝置,使得在兩個接觸物體的質(zhì)量(即重力)保持不變的情況下,它們之間的壓力可以發(fā)生改變?對此感興趣的同學(xué)可以嘗試沿著這些思路對實驗方案進(jìn)行優(yōu)化或創(chuàng)新,并與大家分享你們的成果。
3.2 學(xué)生對實驗方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計
在教師的引導(dǎo)下,部分學(xué)生利用周末或假期對實驗方案進(jìn)行優(yōu)化并制作相應(yīng)的實驗裝置。
學(xué)生7:我們設(shè)計的實驗方案如下。
第一,針對學(xué)生5提出的第一個問題,為了減小地面摩擦力對實驗結(jié)果的影響,我們建議使用小車代替木板。
第二,針對學(xué)生5提出的第二個問題,為了減少彈簧測力計的重力對實驗結(jié)果的影響,我們可以將彈簧測力計豎直懸掛,并使用一個定滑輪將彈簧測力計受到的水平方向的力轉(zhuǎn)換為豎直向下的拉力。[2]
學(xué)生8:我們從兒時的益智玩具中得到啟發(fā),當(dāng)磁體放在鐵板上時,磁體對鐵板的壓力大于磁體的重力。
為了解答同學(xué)6的疑問,我們將小車表面平均分成三部分,如圖5所示。
具體操作如下:首先,在小車的左邊部分貼上較光滑的薄膜;接著,在右邊部分貼上鐵皮;最后,在中間和右邊部分的鐵皮上再貼上磨砂紙(即在右邊部分,底層是鐵皮,頂層是磨砂紙)。
學(xué)生9:為了提高實驗的穩(wěn)定性,我們特別采用了電動機(jī)代替人工拉動物體A。此外,電動機(jī)的動力系統(tǒng)中還接入了一個滑動變阻器,它能夠調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而改變小車的運動速度。這樣的設(shè)計使我們能夠探究滑動摩擦力大小與物體運動速度之間的關(guān)系。
本實驗所需器材包括:彈簧測力計、磁體、低速可調(diào)電動機(jī)、干電池、導(dǎo)線、滑動變阻器、開關(guān)、電流表、帶輪子的小車、細(xì)繩、鐵架臺、磨砂紙、薄膜和鐵皮。
3.3 自制實驗裝置
學(xué)生設(shè)計出了如圖6所示的實驗方案,并制作出相應(yīng)的實驗裝置如圖7所示。
3.4 實驗探究
按照圖6所示實驗裝置示意圖把器材組裝完畢后,開啟電動機(jī)。電動機(jī)拉動小車向左運動,讓磁體M依次通過①②③區(qū)域,記錄彈簧測力計的示數(shù),如表2所示(磁體M的重力為4.6N)。
接下來,我們通過改變滑動變阻器接入電路的阻值大小,改變了小車的運動速度,并重復(fù)上述實驗。我們發(fā)現(xiàn),所得數(shù)據(jù)與表2中的數(shù)據(jù)基本一致。通過比較實驗數(shù)據(jù),我們可以得出以下結(jié)論:在壓力大小相同時,接觸面越粗糙,滑動摩擦力越大(比較數(shù)據(jù)①和②);在接觸面的粗糙程度相同時,壓力越大,滑動摩擦力也越大(比較數(shù)據(jù)②和③)。此外,我們還發(fā)現(xiàn)滑動摩擦力的大小與物體的運動速度無關(guān)。這些結(jié)論與傳統(tǒng)實驗的結(jié)論一致。
4 結(jié)語
在物理課程資源的開發(fā)過程中,學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自行設(shè)計和開發(fā)實驗器材是一種重要的途徑。通過這種方式,物理教師能夠引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化實驗方案,將課堂的主導(dǎo)權(quán)最大程度地交給學(xué)生。這不僅讓學(xué)生有機(jī)會自己發(fā)現(xiàn)問題、提出質(zhì)疑,還能鼓勵他們主動尋找解決問題的方法。這樣的教學(xué)方法有助于學(xué)生真正體驗到物理學(xué)科的美妙和樂趣,同時培養(yǎng)他們正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感。
參考文獻(xiàn)
[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2022:4.
[2]張欽泉.“研究影響滑動摩擦力大小的因素”的實驗與改進(jìn)[J].物理通報,2019,(22):102-105.