高中“滑動摩擦力”實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)研究

唐前軍　汪志剛

摘要：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究影響滑動摩擦力大小的因素，是手拉著彈簧測力計(jì)牽引木塊在木板上勻速運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)演示不直觀，實(shí)驗(yàn)難度大。特別是滑動摩擦力方向?qū)W生難于真正理解。通過對傳統(tǒng)的“滑動摩擦力”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，便能方便直觀的演示滑動摩擦力的方向；通過拉力傳感器和數(shù)碼顯示管，方便學(xué)生觀察，容易探究出影響滑動摩擦力的因素，以及這些因素與滑動摩擦力的定量關(guān)系式。

關(guān)鍵詞：探究性教學(xué)；滑動摩擦力；教具；課例

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2013）5（S）-0067-2

1.傳統(tǒng)“滑動摩擦力”實(shí)驗(yàn)教具的不足

“滑動摩擦力”是高中《物理》（必修1）中的重要內(nèi)容，它既是本章節(jié)的重點(diǎn)，又是以后學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動定律、物體平衡、動量、能量等知識的基礎(chǔ)。因此，學(xué)生對該內(nèi)容學(xué)習(xí)的好壞將直接影響到許多力學(xué)問題的解決。本節(jié)課的重點(diǎn)是做好實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生探究滑動摩擦力產(chǎn)生的條件以及影響滑動摩擦力大小的因素，并得出關(guān)系F=μN(yùn)。

以往探究影響滑動摩擦力大小的因素都是手拉著彈簧測力計(jì)牽引木塊在木板上勻速運(yùn)動，讓學(xué)生觀察測力計(jì)示數(shù)，根據(jù)二力平衡得到摩擦力大小。但在實(shí)驗(yàn)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了以下問題：（1）由于測力計(jì)指針和刻度很小，第一排的學(xué)生都難以觀察，后面的學(xué)生更是無法看見；（2）手拉著測力計(jì)牽引木塊“勻速”滑動，但在實(shí)際操作中很難做到勻速，因此測力計(jì)的讀數(shù)忽大忽小、不穩(wěn)定，學(xué)生不容易觀察；（3）即使物塊做勻速運(yùn)動，由于彈簧測力計(jì)也在運(yùn)動，讀數(shù)時(shí)視線要隨著彈簧測力計(jì)移動，要準(zhǔn)確讀數(shù)很難，測出的滑動摩擦力誤差較大。難以探究出滑動摩擦力和壓力之間的定量關(guān)系。

2.改進(jìn)“滑動摩擦力”教具介紹

基于上述分析，我們特意設(shè)計(jì)制作了“滑動摩擦力”教具，該教具如圖1所示。

該教具有兩種使用方法：第一種是把圖1中的豎直擋板及其附屬設(shè)備去掉，木箱內(nèi)側(cè)裝有軌道，軌道上有一個墊板，它可以沿著軌道來回滑動。木塊置于墊板上，在支架、墊板，木塊上都貼有紅色的標(biāo)記，用于判斷它們的相對位置?？梢韵茸屓齻€標(biāo)記對齊，學(xué)生通過觀察標(biāo)記的位置變化，直觀判斷出木塊相對運(yùn)動的方向。進(jìn)而判斷出摩擦力的方向。第二種使用方法如圖1所示，將木塊和木板疊放于水平桌面上，不可伸長的細(xì)線系住木塊繞過定滑輪與豎直方向的壓力傳感器相連，用力拉動木板，使它在桌面上滑動，讀出壓力傳感器的讀數(shù)，根據(jù)二力平衡條件測出木塊與木板間的滑動摩擦力。當(dāng)拖動下面的木板時(shí)，靜止的物塊就會受到滑動摩擦力。由于木板太光滑，摩擦力太小，通過反復(fù)的研究發(fā)現(xiàn)，牛皮紙反面的粗糙程度最合適，也便于拖動，因此用牛皮紙來代替課本中的木板，可以大大的提高實(shí)驗(yàn)的精確性。在實(shí)驗(yàn)操作中，由于滑動摩擦力與相對運(yùn)動速度無關(guān)，無需勻速的拖動牛皮紙，這給實(shí)驗(yàn)帶來了極大的方便，通過觀察改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拖動下面的牛皮紙時(shí)，發(fā)光二極管顯示的讀數(shù)也不再跳動了，可見設(shè)備的改進(jìn)是非常成功的。

3.教學(xué)案例——“滑動摩擦力”教具的應(yīng)用

在滑動摩擦力這一節(jié)中，滑動摩擦力方向的判斷和滑動摩擦力大小的計(jì)算既是本節(jié)的重點(diǎn)又是本節(jié)的難點(diǎn)。

基于學(xué)生在初中對滑動摩擦力的認(rèn)識?；瑒幽Σ亮Φ亩x和滑動摩擦力的產(chǎn)生條件學(xué)生都容易掌握理解，但學(xué)生容易有以下幾個錯誤的認(rèn)識：（1）滑動摩擦力的方向總是與運(yùn)動方向相反；（2）滑動摩擦力一定是阻力；（3）靜止的物體不會受到滑動摩擦力。

先在實(shí)驗(yàn)教具的支架、墊板和木塊上都貼上紅色的標(biāo)記，以便于判斷它們的相對位置，讓三個標(biāo)記對齊，由于支架相對于地面是靜止的，可以把它看做是地面，教師迅速的向左拉動墊板，請學(xué)生注意觀察，木塊的運(yùn)動情況，并作好記錄。如果木塊在支架標(biāo)記的左邊，則木塊的運(yùn)動方向是向左的，此時(shí)木塊相對墊板滑動了；若木塊在墊板標(biāo)記的右邊，說明木塊相對于墊板的滑動方向是向右的，在這個過程中，根據(jù)滑動摩擦力的產(chǎn)生條件，有接觸、擠壓，相對滑動和接觸面粗糙，所以受到了滑動摩擦力。然后根據(jù)物塊的運(yùn)動狀態(tài)來判斷滑動摩擦力的方向，由于滑動摩擦力拖著木塊由靜止向某一個方向運(yùn)動了，所以滑動摩擦力的方向即是該方向。通過該自制教具的實(shí)驗(yàn)演示。能非常容易改正學(xué)生“滑動摩擦力的方向總是與運(yùn)動方向相反”的錯誤認(rèn)識。

對于“滑動摩擦力一定是阻力”的錯誤認(rèn)識，教師可以這樣，先讓三個標(biāo)記對齊，用力地抖動墊板的拉繩，由于墊板上的木塊并沒有受到繩子的拉力，但它卻能在墊板上相對支架向前運(yùn)動一定的位移，說明摩擦力起到動力的作用，也容易知道該力是滑動摩擦力。這個實(shí)驗(yàn)充分說明了滑動摩擦力不一定是阻力。

在第三個實(shí)驗(yàn)中，仍是讓三個標(biāo)記對齊，并將木塊用細(xì)繩固定在支架的一端，然后向另一側(cè)拉動墊板，很明顯，木塊相對于地面是靜止的，但木塊相對于墊板是有相對運(yùn)動的。從數(shù)碼顯示管的讀數(shù)中可以判斷該木塊在這個過程中也受到了滑動摩擦力，而木塊卻是靜止的。這就證明了靜止的物體也可能受到滑動摩擦力。

利用自制教具進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，澄清了幾個容易混淆的認(rèn)識，這里的實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了一定的觀察方法，提高了學(xué)生的觀察、分析和歸納的能力，整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的思維是積極主動的，學(xué)生從中有所發(fā)現(xiàn)，獲得了一定的成就感。

最后探究滑動摩擦力的大小，可以先讓學(xué)生回憶在初中探究影響滑動摩擦力大小因素的實(shí)驗(yàn)：將木塊放置于水平長木板上，由彈簧測力計(jì)水平拖動木塊做勻速運(yùn)動，根據(jù)二力平衡，測出木塊受到的滑動摩擦力，從而得到壓力越大，接觸面越粗糙，滑動摩擦力就越大，滑動摩擦力與相對運(yùn)動速度和接觸面積無關(guān)。在初中，學(xué)生得到的只是滑動摩擦力與壓力的定性關(guān)系，不能測出它們之間的定量關(guān)系。利用該教具，滑塊通過細(xì)線繞過定滑輪與豎直方向的拉力傳感器相連，滑塊置于水平長木板上，當(dāng)我們拉動長木板時(shí)。滑塊相對與拉力傳感器而言是靜止的，但相對于長木板運(yùn)動且受到長木板施予的摩擦力，該力與細(xì)線對滑塊的拉力平衡，由二力平衡容易知道這兩個力大小相等，此時(shí)便可以通過數(shù)碼顯示管知道滑動摩擦力大小。由于木板太光滑，摩擦力太小，通過反復(fù)的研究發(fā)現(xiàn)，牛皮紙反面的粗糙程度最合適，也便于拖動，因此用牛皮紙來代替課本中的木板，可以大大的提高實(shí)驗(yàn)的精確性。在實(shí)驗(yàn)操作中，由于滑動摩擦力與相對運(yùn)動速度無關(guān)，無需勻速的拖動牛皮紙，這給實(shí)驗(yàn)帶來了極大的方便，通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)拖動下面的牛皮紙時(shí)，數(shù)碼顯示管的讀數(shù)沒有跳動，會穩(wěn)定在某一個數(shù)值。通過該實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后。對所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析不難發(fā)現(xiàn)?；瑒幽Σ亮蛪毫Φ谋戎祹缀跏呛愣ǖ?，也就是在誤差允許的范圍內(nèi)，滑動摩擦力和壓力的比值是相等的，由此得出滑動摩擦力與壓力成正比，并得到數(shù)學(xué)關(guān)系式：f=μN(yùn)。

教師用自己制作的教具與使用現(xiàn)成的教具來講課，教學(xué)效果是不一樣的。使用自制的教具，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更加得心應(yīng)手，更能讓學(xué)生看到儀器的內(nèi)部構(gòu)造，了解實(shí)驗(yàn)的工作原理。更重要的是：當(dāng)學(xué)生看到那些用生活物品與身邊的常見材料來做實(shí)驗(yàn)，會使他們覺得物理離自己更近。更容易激發(fā)學(xué)生熱愛物理、熱愛科學(xué)的情感。

（欄目編輯 鄧?yán)冢?/p>