研究滑動摩擦力影響因素的實驗優化策略

張麗媛

（大同煤礦集團有限責任公司技師學院，山西 大同037003）

0 引言

摩擦力是物理學科中一個重要的概念，中學物理教育的其中一個重點就是滑動摩擦定律及其影響因素。但常規的有關滑動摩擦力影響的課堂實驗都比較粗糙而且非常缺乏說服力，這導致學生對其認識有偏差。物理教學中的學生自主創新實驗探究是以學生物理核心素養培育與發展為路徑的深度學習的具體策略與實施，以符合學生認知規律和能力發展水平為前提，以培養學生探究能力、實踐能力和創新能力為核心。本文通過探究滑動摩擦力大小與接觸面積是否有關等一些實驗例子，讓學生既培養了科學精神又提升了物理核心素養[1]。

1 實驗優化的原因

教科書引導學生猜測影響滑動摩擦力的因素：接觸表面的壓力和粗糙度。在專門針對實驗設計的部分“如何測量滑動摩擦力”中，教科書告訴學生：將物體放在水平桌上，并使用彈簧測力計將其水平拉動，以便做勻速直線運動，在這段時間內，彈簧測量力顯示的讀數等于物體受到的滑動摩擦力。這句話雖然很容易理解，但是實際的操作過程卻很困難，其主要的原因在于非常困難的控制物體做勻速直線運動，并且彈簧測力計的讀數很難控制在誤差范圍內，從而導致實驗的效果不明顯，甚至影響實驗結論的正確性。

2 情景優化設計

2.1 情景導入

書本介紹了讓木塊在水平面上做勻速直線運動，同學們需要思考為什么在水平面上需要做勻速直線運動？通過老師的指導學生們明顯發現了在水平方向上二力平衡，拉力的大小等于摩擦力的大小；接著讓學生們嘗試用彈簧測力計拉動木塊，操作后發現彈簧測力計也在運動，卻很難讀數而且讀數很難穩定；學生接著思考如果讓彈簧測力計不動，物體又如何受到的是滑動摩擦力？此時老師給學生多加一個長木板并引導學生回憶一下，當時學相對運動的時候，學生們坐在位置上不動，老師在學生面前走動，學生們就想起來他們相對老師是運動的。進行類比后學生們就很容易看出想要木塊受到滑動摩擦力，那么就需要木塊和它接觸的物體之間是要相對靜止，老師接著引導學生思考怎么樣讓彈簧測力計拉著木塊相對于地面靜止，然后又能讓木塊和長木板之間發生的是滑動摩擦力呢？老師引導學生想到找一個東西讓彈簧測力計固定，然后讓彈簧測力計拉著木塊，再讓長木板在木塊下面運動就能做到。

2.2 書本實驗過程的介紹

用一個鐵架臺將彈簧測力計固定，拉動木塊下面的長木板，木塊和長木板之間發生了相對運動，他們之間發生的運動就是滑動摩擦力。

2.3 實驗示范

老師給學生進行示范并與同學們一起分析木塊的受力情況，在示范過程中老師提出木塊和長木板之間發生了相對運動，但是木塊相對于地面是靜止的，那么木塊在水平方向上受到哪些力？學生們很容易的說出是彈簧測力計對木塊的拉力，和長木板對它的摩擦力。然后接著提出木塊受到的摩擦力等于多少？引導學生想到木塊相對于地面靜止，那么在水平方向上受力平衡，木塊受到的拉力大小就等于它受到的摩擦力的大小。這樣就可以測量出摩擦力的大小。讓學生了解到這些知識后，把老師用的彈簧測力計改為學生用彈簧測力計后，讓學生們親自進行操作。

2.4 實驗小結

師：大家都能夠很好的測量出物體受到的摩擦力的大小。那么接下來請大家回憶一下，剛才我們在測量滑動摩擦力的實驗過程中，請思考長木板的運動快慢會不會影響到木塊受到的摩擦力？木塊受到的摩擦力的大小可能和什么因素有關呢？請同學進行實驗。

3 實驗優化的過程

3.1 策略一

在原本的實驗過程中拉動長的木板時，雖然在做勻速直線運動的前提下，彈簧測力計的示數就是木塊受到的摩擦力大小。但在此過程中非常難做到彈簧測力計始終保持水平狀態，這就會可能發生讀出的度數不準確，進而造成誤差較大。

就以上問題可在改變拉力的方向加上一個定滑輪。加上定滑輪之后，彈簧測力計就由水平測量改變成了豎直測量，誤差因此就減小了。但隨之而來又出現了一個這樣的問題：對于初次接觸物理中力學的初二學生，還是很難理解這個實驗的實驗原理，同時也有部分同學對物體受摩擦力的大小、方向產生疑惑[2]。

3.2 策略二

一次偶然的機會下發現了玩具汽車自帶的發動機是屬于勻速自轉，馬上就想起有關于滑動摩擦力的實驗，開始了此次的優化實驗。

為了減少彈簧測力計因使用方向而產生的誤差和保證物體做勻速直線運動，而采取彈簧測力計夾在發動機頂部并且保持豎直狀態，繞過定滑輪在水平面上使木塊做勻速直線運動。這樣的操作簡化了實驗步驟，此實驗需要學生做的就是輕輕按動開關，觀察物體的運動狀態及彈簧測力計的示數。雖然這兩大問題得到了解決，但是仍存在實驗用具不方便攜帶、老師進行實驗操作時學生觀看實驗受視野范圍的影響[3]。

3.3 策略三

在一次教學過程中，看到板擦吸附在了黑板上，想到可以通過磁石將所有物體吸附在黑板上，這樣也可將長木板和定滑輪均更換成磁石，做法如下：

（1）玩具汽車的電動機勻速轉動，拉動三個分別編號為1、2、3號實驗盒的物體做勻速直線運動，像透明可視的1號實驗盒放入4個磁鐵，2號實驗盒放入3個磁鐵，3號實驗盒放入1塊小木塊與2個磁鐵，這樣做的目的是使其2號和3號的重力一樣，但壓力又有所不同，通過讀取彈簧測力計看到1號實驗盒測力計示數最大、2、3號相對較小。老師應積極引導學生做出正確的實驗并且引導得出正確的實驗結論。此套實驗用具的優點是保證小木塊做勻速直線運動，解決了教材中不能實現的問題[4]。

（2）2號、4號實驗盒的接觸面積不同，磁鐵個數相同時在電動機的帶動下小木塊做勻速直線運動。學生通過觀察彈簧測力計示數時，發現其示數是相同的。由此得出結論滑動摩擦力的大小和小物塊的接觸面積沒有關系。

（3）2號、4號實驗盒在電動機的帶動下，以不同的初速度做勻速直線運動，但在軌道上同時設置3個控制按鈕，從左到右依次排開，分別為啟動、停止、變速這三個按鈕。只需要按下第三個按鈕，兩個輸出端即2號、4號實驗盒就會以不同的初速度勻速直線前進，這是通過改變實驗步驟來實現兩臺電動機的輸出功率不同。通過實驗得出盡管速度不同，彈簧測力計的示數卻相同，說明滑動摩擦力大小與物體運動速度沒有關系。

（4）2號、5號實驗盒 （磁鐵個數相同但接觸面的粗糙程度不同，5號實驗盒底部放了砂紙）在電動機的帶動下做勻速直線運動。通過實驗可以看出，拉動底部有砂紙的5號實驗盒的測力計示數大，可以判斷出滑動摩擦力大小與接觸面粗糙程度的關系。也可以通過改變砂紙的目數改變接觸面的粗糙程度。

4 教學反思

教學要以學生為主體。老師要學會引導學生，用合適的教學方法和策略促進學生核心素養的提升，研究方案的選擇，數據的處理都要在學生共同參與中完成，使學生的知識是自主獲得的生成的。能夠對課本質疑，用質疑評價培養學生提出問題的能力，將學習推向深入，體現對學生批判思維的培養。

5 結語

通過以上的實驗操作，幫助學生加深學習的記憶能掌握并靈活運用其中的物理規律。在實際教學過程中，要根據教學的實際需求，引導學生自主學習，幫助學生科學合理地設計實驗思路，以保證實驗真實可行。促使學生增加學習物理知識的熱情。人為操作不可能保證物體做勻速直線運動。這樣在實際教學中實驗就會進入這樣的尷尬境地：不做這個實驗不利于學生理解實驗原理和滑動摩擦力的影響因素，做這個實驗由于物體不能勻速直線運動導致示數不穩定，不可能得出令人信服的實驗數據。

在科學實驗中要注意引導學生的實驗思路，懂得什么是控制變量法，簡單地說就是變哪個變量就觀察哪個，重復此操作步驟。培養學生的科學探究能力、實驗探究的思維能力。教學一般采用的是分級實驗探究的方式，幫助學生全面認識摩擦力，自主明確其探究的具體任務。例如，在探究滑動摩擦力大小的影響因素的時候，讓學生提出猜想后，再設計基本思路；在探討測量摩擦力問題的時候，老師應引導學生先說出實驗原理，再規范思路來探究實驗積累經驗，并落實本節實驗需要注意的重點問題。解決實驗中產生了小物塊不能勻速直線運動所導致的分歧。老師進一步引導學生思考以下的問題：“滑動摩擦力與物體速度有關嗎”讓學生設計實驗解決本節所遇到的重點問題，加上之前分析，所以解決此問題并不難。在教學進入了困境的時候，老師和學生要開發思路自主制造實驗儀器。通過樣的設計可以讓學生在思辨中加深對物理概念的理解，自然地發揮學生學習的主觀能動性[5]。