探究滑動摩擦力大小影響因素的實驗優化

【摘要】滬科版八年級物理教科書第六章第五節摩擦力中，探究影響滑動摩擦力大小因素的實驗明顯存在不足之處。由于滑動摩擦力小于最大靜摩擦力，控制滑塊做勻速運動比較困難[1]，另外滑動摩擦力較小，彈簧測力計的示數不明顯。本文將主要從兩個方面去完善此實驗的不足，以求取得良好的實驗效果。

【關鍵詞】勻速拉動 橡皮筋 電動機 力傳感器

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）22-0171-02

義務教育階段的物理課程內容設置與生活聯系緊密，充分體現了物理知識來源于生活，從生活走向物理。這一階段的學生擅長形象思維，抽象能力有限，因此物理實驗在義務教育階段扮演著重要的角色。另一方面，物理知識建立在實驗的基礎之上，通過實驗傳遞物理知識才是最為有效的途徑。物理實驗可以傳遞物理知識，但絕不是僅僅傳遞知識。物理實驗過程中包含的對學生能力的培養是我們不能忽略的，即問題意識、探究合作的能力、分析問題的能力、設計實驗的能力、處理數據的能力等。

滬科版物理教科書的編排符合物理的學習規律，介紹了許多物理探究實驗。但是一些探究實驗不夠嚴謹，實驗的設計或過程存在著不足之處。本文將以滬科版八年級物理教科書第六章第五節摩擦力為例，對探究實驗進行適當的優化。

1.教科書中的實驗安排

教科書按照以下的實驗操作進行探究滑動摩擦力大小的影響因素：

a.如圖1，用彈簧測力計水平拉動木塊在較光滑的木板上勻速滑動；

b.把圖1中較光滑的木板換成一較粗糙的木板，用彈簧測力計拉動木塊在較粗糙的木板上勻速滑動；

c.把圖1中較光滑的木板取走，用彈簧測力計水平拉動木塊在桌面上勻速滑動；

d.如圖2中在木塊上加一重物，用彈簧測力計水平拉動木塊在桌面上勻速滑動；

把每次實驗的條件和彈簧測力計的示數記錄在表格中。

教科書中的實驗分別從接觸面的粗糙程度和物體與接觸面的壓力兩個因素去研究滑動摩擦力大小的影響因素，而在猜想與假設時影響因素不止兩個，還有接觸面的大小、物體運動的速度、運動方向等。所以此實驗的探究過程并不完善，不能把猜想的幾個因素都進行實驗。在實驗時，要求能夠勻速拉動木塊，為了運用二力平衡的知識把木塊受到的摩擦力用拉力來表示。但是，勻速拉動的要求較高，不易達到。另外，此實驗的滑動摩擦力可能會較小，那么彈簧測力計的示數也會較小，實驗現象不明顯，不易觀察。因此，教科書中的實驗設計存在很大的不足，本文將在此實驗的基礎上加以優化，以達到更好的實驗效果。

2.實驗的優化措施及優點

筆者就滬科版教材中此實驗的不足提出幾點優化措施。

優化措施一：如圖3、圖5，為了能夠探究接觸面積大小對滑動摩擦力的影響，在選擇木塊時應選擇長寬高均不同的長方體，這樣物體會有三個表面積不同的接觸面積，只需轉動一下木塊就能夠進行探究。

優化措施二：如圖4，實驗器材增加一塊玻璃。玻璃表面比桌面更光滑，此實驗一個比較重要的影響因素就是接觸面的粗糙程度，教科書中的實驗僅用桌面和木板，實驗數據會偏少，因此增加一塊玻璃十分有必要，而且實驗器材也十分容易獲取。

優化措施三：教科書中的實驗，由于滑動摩擦力不大，彈簧測力計的示數可能會較小，那么實驗現象將不明顯或者數據存在較大的誤差。因此，筆者試圖讓學生自己利用橡皮筋制作一簡易彈簧測力計用于測量滑動摩擦力。簡易彈簧測力計的制作也十分簡單，教科書中在本節最后的實踐與總結這一欄目中就給出了一實踐活動，給出了簡易彈簧測力計的制作方法。用橡皮筋去代替彈簧，優點就是橡皮筋的勁度系數較小，能夠把較小的滑動摩擦力測量出來。另外，此實驗只是定性的探究滑動摩擦力大小的影響因素，只需比較橡皮筋的伸長程度即可比較滑動摩擦力的大小。

優化措施四：如圖3、圖4、圖5，用電動機拉動木塊[2]。原實驗是用手直接拉動木塊，而實驗又要求勻速拉動，直接用手是很難做到的。用電動機拉動，速度近似均勻，還可以通過改變電流的大小來改變拉動的速度，就能進一步探究速度大小對滑動摩擦力的影響。

優化措施五：本實驗的重點是測量不同情況下滑動摩擦力的大小，而不管是彈簧測力計或自制測力計測量時可能示數不大，這樣會導致誤差較大，不利于測量。隨著科技的發展和國家對教育的投入，新一代的實驗器材開始進入中學物理課堂，其中最為代表的就是傳感器。它能較為精確的測量一些物理量。我們可以利用傳感器和計算機對此實驗進行優化設計[3]。因此，筆者試圖用力學傳感器去測量本實驗中的滑動摩擦力。按照下圖所示進行實驗：

筆者的優化措施與滬科版教科書中的實驗原理是相同的，不同的是不用彈簧測力計測量力的大小。將力傳感器固定在木塊上面，用尼龍繩拉動傳感器，木塊也隨之運動，力傳感器將受力情況輸入計算機，拉動木塊時，保持勻速直線運動。將接觸面換成木板、玻璃板等，并改變木塊與接觸面之間的壓力，進行多次實驗，繪制出F-t的圖像，當拉力基本保持不變時，摩擦力的大小就等于拉力，分析圖像得出結論。

3.探究實驗的實施建議

基于此實驗的優化方案，教師在進行本節教學時可以采用以下的實驗方案：

探究活動：探究滑動摩擦力的大小跟哪些因素有關？

提出問題：滑動摩擦力的大小跟哪些因素有關？

猜想與假設：學生基于生活經驗，進行合理的猜想。可能影響滑動摩擦力的因素有：（1）接觸面的粗糙程度；（2）接觸面的大小；（3）物體運動的速度；（4）物體與接觸面間的壓力；（5）物體運動的方向。

制定計劃：由于實驗中要比較滑動摩擦力的大小，實驗之前讓學生自制彈簧測力計。這也是教科書中的一個實踐活動，我們在進行實驗探究時，如果能夠用實踐活動中的作品，可以激發學生對本實驗乃至物理的學習興趣，另外也可以對教科書中的實踐活動產生一個推動作用。將實踐活動應用于我們的物理課堂，也能增強教師對實踐活動這一欄目的認識，有助于開發教科書中的資源。

實驗器材：長寬高不同的木塊、自制測力計、細線、木板、玻璃板、三個質量分別為10g、20g、50g的重物、桌子、電動機、電源、滑動變阻器、開關和導線。

設計實驗：采用控制變量法探究學生的幾個猜想。按照圖2-1、圖2-2、圖2-3組裝實驗器材。

（1）探究接觸面的粗糙程度對滑動摩擦力的影響。將木塊分別平放在木板、玻璃板、桌面上，閉合開關拉動木塊，記下測力計標記移動的距離；

（2）探究物體與接觸面間的壓力對滑動摩擦力的影響。將木塊平放在玻璃板上，分別放上質量不同的重物，閉合開關拉動木塊，記下測力計標記移動的距離；

（3）探究接觸面的大小對滑動摩擦力的影響。將木塊分別平放在平放、側放、豎放在木板上，閉合開關拉動木塊，記下測力計標記移動的距離；

（4）探究物體運動的速度對滑動摩擦力的影響。將木塊平放在玻璃板上，閉合開關拉動木塊，移動滑動變阻器的滑片，使木塊以不同的速度運動，記下測力計標記移動的距離；

（5）探究物體運動方向對滑動摩擦力的影響。將木塊平放在玻璃板上，閉合開關拉動木塊，記下測力計標記移動的距離；將電動機位置換至桌面的另一端，再次拉動木塊，記下測力計標記移動的距離；

進行實驗與收集證據：把實驗的條件和測力計標記移動的距離記錄在表格中。

分析與論證：通過實驗數據，學生總結實驗結論，得出滑動摩擦力的影響因素，小組間互相交流，最終得出實驗結論。

4.對本實驗內容的安排建議

我們縱觀本實驗的內容安排，包括其他版本的教科書，本實驗的原理都是二力平衡。但是像滬科版和滬粵版都是將探究滑動摩擦力作為一節內容安排在“力和機械”、“熟悉而陌生的力”這一章中，編者的目的應該是想在這一章中介紹生活中的幾種力，畢竟這一章就是讓學生認識力。而摩擦力就是生活中常見的力，放在本章似乎是無可厚非。然而，摩擦力確實需要以探究實驗的形式進行展開，這樣二力平衡就繞不過去，畢竟我們不能直接測量出摩擦力，這個內容在本章是沒有介紹的，學生沒有這個學前經驗，學生產生疑問是正常的，而教師也沒有更好的解釋。關于這一點，人教版的教科書安排的比較合理。既然本實驗要用到二力平衡，那么就把它安排在二力平衡之后，像人教版那樣安排。幾個版本的教科書在這一章之后的內容都是力和運動，二力平衡的內容也在本章出現了，滑動摩擦力既包含了運動又有力，安排在這一節再合適不過了。這樣，探究滑動摩擦力的實驗原理不言而喻了，學生不會再產生困惑。

5.結語

義務教育階段的物理課堂應該是充滿生機的，不能只是知識的傳授。物理不能脫離實驗而存在，當然物理課堂也是。初中階段的學生更擅長觀察現象，所以將物理知識寄于物理實驗更有現實意義。初中階段的物理實驗應該盡量操作簡單、現象明顯，學生能夠很容易操作，很快得出實驗結論，在這一過程中不僅學到了知識，而且動手能力、分析能力都能夠有很大的提升，有助于對學生核心素養的培養。因此，優化、開發出更多的現象明顯，操作簡單的物理實驗應是我們每個物理教師的必修課。

參考文獻：

[1]楊小華.摩擦力實驗裝置的改進[J].物理通報，1999（04）：41-42.

[2]孫豐富，朱召友.“探究影響滑動摩擦力大小因素”的實驗改進[J].物理教師，2014（06）：36+38.

[3]章強，龐惠華.“摩擦力”實驗設計的改進[J].物理教師，2012（11）：39-40+42.

作者簡介：

劉文彬（1991-），男，漢族，安徽淮北人，安徽師范大學物理學科教學碩士研究生，研究方向：初中物理演示實驗的優化。