姬影 彭朝陽

摘? ?要：物理實驗教學(xué)是物理教學(xué)工作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，教學(xué)實驗器材的創(chuàng)新是教學(xué)理念與實踐連接的紐帶和橋梁。從探究最大靜摩擦力的實驗教學(xué)出發(fā)，針對實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)，借助傳感器繪制圖像展示數(shù)據(jù)，有利于定性和定量地探究靜摩擦力的大小。

關(guān)鍵詞：靜摩擦力;實驗改進(jìn);圖像

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）3-0046-3

1? ? 引? 言

“摩擦力”選自人教版高中物理必修1第3章第3節(jié)的內(nèi)容，是在學(xué)習(xí)了重力、彈力基礎(chǔ)上的進(jìn)一步研究，它是常見的三種力之一。正確認(rèn)識摩擦力對前后知識的學(xué)習(xí)有著至關(guān)重要的作用，它是銜接本章重力、彈力和力的合成與分解知識的重要橋梁。學(xué)生通過初中學(xué)習(xí)，已對摩擦力的概念有初步的認(rèn)識，但在理解上還不夠完善。高一學(xué)生的思維正處于直觀形象思維向邏輯抽象思維過渡的階段，對實驗觀察有興趣，但理性認(rèn)知能力還有待提高。

基于教材本身的重要地位和學(xué)生的學(xué)情，如何在教學(xué)中揭示實驗的本質(zhì)顯得尤為重要。但在實驗過程中因操作上的缺陷與誤差及實驗器材本身的局限性，實驗效果并不理想。

2? ? 現(xiàn)行教材中的問題

綜合對比各版本教材的實驗設(shè)計發(fā)現(xiàn)，教材均選取彈簧測力計作為測力的工具?，F(xiàn)以人教版高中物理必修一第三章第三節(jié)中“摩擦力”的實驗為例，教材敘述如下：把木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉木塊。在拉力F增大到一定值之前，木塊不會運動。在彈簧測力計的指針下輕塞一個小紙團(tuán)，它可以隨指針移動，并作為指針到達(dá)最大位置的標(biāo)記。繼續(xù)用力，當(dāng)拉力達(dá)到某一數(shù)值時木塊開始移動，此時拉力會突然變小[1]。

雖然操作簡單，但在實驗過程中因操作上的缺陷與誤差及實驗器材本身的局限性，實驗效果并不理想。本實驗裝置（如圖1所示）作為演示實驗可見度低，不能滿足全班學(xué)生同時進(jìn)行實驗的需求，且小紙團(tuán)的位置移動不能準(zhǔn)確讀出拉力整個過程中的大小變化。

3? ? 探究靜摩擦力大小實驗裝置的改進(jìn)

在教學(xué)中筆者通過對實驗的多次研究和反思，制作了如圖2所示的探究靜摩擦力大小的實驗裝置。

裝置的制作過程及操作方法：

（1）準(zhǔn)備材料：水平長木板、電動機、尼龍繩、力學(xué)傳感器、一根彈簧、帶有掛鉤的小木塊、銅塊4個、光敏電阻、發(fā)光二極管。

（2）制作方法：① 將電動機固定在長木板的左端，用尼龍繩的一端與轉(zhuǎn)軸相連，另一端連接力學(xué)傳感器。② 傳感器右端依次連接彈簧、木塊，調(diào)整力學(xué)傳感器、彈簧、木塊的位置，盡可能使三者在同一水平高度，如圖3所示。③ 將裝有光敏電阻的實驗盒與小木塊相連。④將傳感器連接數(shù)據(jù)采集器后接入電腦USB接口。

（3）裝置優(yōu)點：

① 方便操作：教師演示時可以獨立操作。通過電動機拉動傳感器、彈簧、小木塊，可以盡可能地保證拉力的連續(xù)性和穩(wěn)定性。因為木塊整個過程處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以水平方向受到的拉力等于木塊受到木板的靜摩擦力。

② 方便觀察：整套裝置在實驗過程中面對學(xué)生，彈簧在外力增大過程中發(fā)生明顯形變，學(xué)生可以直觀感受到拉力變化的過程。當(dāng)木塊移動的瞬間，由光敏電阻控制的發(fā)光二極管會閃爍，如圖4所示。

③ 方便讀數(shù)：借助力學(xué)傳感器可以連續(xù)記錄拉力大小變化，學(xué)生通過屏幕中力的圖像讀取靜摩擦力的大小及靜摩擦力的大小變化過程，如圖5所示。

④ 可探究最大靜摩擦力的影響因素、滑動摩擦力的影響因素。

（4）實驗過程：

打開電腦中的DISLAB軟件，連接力學(xué)傳感器，設(shè)定X軸代表時間，Y軸代表力的大小，如圖6所示。

實驗一： 探究靜摩擦力與外力的大小關(guān)系

連接裝置，思考以下問題，通過實驗找到它們的答案：

①剛開始木塊處于什么狀態(tài)？受哪些力的作用？這些力的大小關(guān)系如何？

②發(fā)生相對運動以前，靜摩擦力的大小是恒定的嗎？如果不是，有特殊值嗎？如果有，是什么樣的特殊值？

③發(fā)生相對運動后的滑動摩擦力和最大靜摩擦力的大小關(guān)系是什么？

實驗二： 探究最大靜摩擦力大小的相關(guān)因素

①探究最大靜摩擦力與壓力的關(guān)系（保持接觸面和接觸面積不變，改變壓力），如表1。

打開電動機開關(guān)，按照實驗要求，得到靜摩擦力的變化圖像，如圖7所示。

由前三組數(shù)據(jù)的圖像可以看出：三組圖像的走勢近似平行，因此得出“最大靜摩擦力的大小跟接觸面間的壓力成正比”。

②探究最大靜摩擦力與接觸面粗糙程度的關(guān)系（保持壓力和接觸面積不變，改變接觸面粗糙程度），如表2。

實驗結(jié)論：

① 靜摩擦力的大小隨著推力的增大而增大，但靜摩擦力有一個最大限度，叫最大靜摩擦力，所以靜摩擦力的取值范圍為0

② 最大靜摩擦力的大小跟壓力和接觸面間的粗糙程度有關(guān)。

4? ? 結(jié)? 語

經(jīng)過調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)力傳感器在中學(xué)物理教學(xué)中有極其重要的教學(xué)價值，但要合理應(yīng)用。在本次實驗改進(jìn)過程中，既保留了傳統(tǒng)，又引進(jìn)了新技術(shù)。既讓學(xué)生接觸了新的實驗儀器，開闊了視野，也讓學(xué)生繼承了前輩的實驗經(jīng)驗，并且在這基礎(chǔ)上還引導(dǎo)了學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新。改進(jìn)實驗裝置可以盡量縮小實驗中的誤差，對激發(fā)和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的觀察力和實驗?zāi)芰?、科學(xué)思維具有特別重要的作用，因此在物理實驗教學(xué)過程中可以鼓勵學(xué)生積極參加實驗創(chuàng)新活動[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理必修一第3版[M].北京：人民教育出版社，2010：57.

[2]蔡孝文，周新雅，陳昊然，等.改進(jìn)測量滑動摩擦力大小實驗裝置的評析[J].中學(xué)物理，2018（4）：27-29.

（欄目編輯? ? 王柏廬）