滬科版教材關于“滑動摩擦力與哪些因素有關”的實驗改進

黃啟剛

摘? ?要：滬科版教材“科學探究：摩擦力”中探究影響滑動摩擦力與哪些因素有關的實驗，文字表述和實驗裝置存在一些不足，會影響實驗操作和實驗效果。本文探討對實驗的改進，提高了實驗的可操作性、科學性和可靠性。

關鍵詞：教材;實驗;改進;滑動摩擦力

1? 教材實驗回顧

“探究影響滑動摩擦力與哪些因素有關”是初中物理課標要求的基本實驗之一[ 1 ]，是初中物理力學中一個非常重要的探究實驗。學生要用轉換法和控制變量法間接測量滑動摩擦力的大小，本實驗對培養學生科學素養有良好的導向作用。滬科版八年級物理教材第六章“科學探究：摩擦力”是用圖1[ 2 ]所示的器材和步驟來進行實驗探究。實驗不僅要考查學生使用彈簧測力計測量拉力的操作，還要考查學生對轉換法和控制變量法的應用，對學生的科學思維和科學探究等核心素養要求比較高。通過對本實驗有效教學，能讓學生突破對摩擦力概念的認識，提高學生的操作技能，培養學生良好的科學素養。

2? 教材存在的不足

教材中的實驗在文字表述中存在一些不夠科學、不夠嚴謹的地方，實驗裝置也存在一些不足，會影響實驗操作和實驗效果。

2.1? 文字表述不嚴謹

教材中進行實驗與收集證據環節提到“滑動摩擦力與哪些因素有關”，這里的“滑動摩擦力”是滑動摩擦力的方向還是大小還是作用點？表述指向不清，不夠規范。應該表述為“滑動摩擦力的大小與哪些因素有關”。

2.2? 編排邏輯欠科學

本實驗是用轉換法間接測量摩擦力，要用到“二力平衡條件”知識。但“二力平衡條件”知識被安排在了第七章第三節“力的平衡”中，顯然這種超前安排是不太合理的。對此不足，教材在“加油站”作了些說明，簡要描述了實驗的基本原理。但測量摩擦力的實驗原理沒有二力平衡條件作鋪墊，只作一句簡要說明，學生依然容易產生疑惑。這種編排邏輯不盡科學，最好把“科學探究摩擦力”安排在第七章“力的平衡”之后再學習，學生理解了二力平衡的條件，要知道滑動摩擦力的測量原理就水到渠成了，這樣安排更符合學生的認知特點。

2.3? 實驗裝置有缺陷

滬科版教材按如圖2實驗裝置和方法，把看不見的摩擦力轉換為彈簧測力計的拉力，可直接在測力計上讀出摩擦力的大小。教材提供的實驗裝置看似簡單易行，實則不便于操作：因為這個探究實驗成功與否，取決于實驗測量的方法是否合理，測量結果是否可靠。本實驗要保證木塊在長木板上勻速直線滑動，同時還要準確讀數，但用手直接拉動彈簧測力計很難保證木塊始終做勻速直線運動，其次測力計一直在運動中，較難精確讀數[ 3 ]。

3? 實驗改進方案

滬科版教材在實驗裝置存在一些不足，影響到了實驗操作和實驗效果，使可操作性和可靠性打了折扣。為了克服上述不足，筆者在長期的實驗教學中，不斷探索，對此實驗裝置先后作了如下改進。

3.1? 實驗裝置改進方案一

如圖3，把木塊置于長木板上方，實驗時固定彈簧測力計的拉環，讓彈簧測力計的拉鉤拉著木塊在水平方向保持靜止，再水平向右拉動長木板，此時木塊的滑動摩擦力大小可間接在彈簧測力計上讀出來。

優點分析：彈簧測力計保持靜止狀態，示數穩定，可準確讀數。拉動長木板，可使木塊與長木板之間發生相對滑動，效果等同于木塊在長木板上方滑動。木塊同時受到彈簧測力計的拉力和長木板對它的摩擦力而保持靜止，由二力平衡條件可知：測力計示數等于木塊受到的摩擦力。因滑動摩擦力與物體運動速度無關，拉動長木板滑動時可以是變速運動，也可以是勻速直線運動[ 4 ]。因而操作簡單易行，實驗效果明顯改善。

3.2? 實驗裝置改進方案二

如圖4，在彈簧測力計下方墊上一塊高度適宜的木塊，使測力計一端固定，另一端拉著長方體木塊，在水平方向上靜止。給長木板安裝小輪子，變成平板小車，向右水平拉動平板小車，木塊同時受彈簧測力計的拉力和平板小車對它的摩擦力而保持靜止。彈簧測力計的示數就是木塊受到的滑動摩擦力。

優點分析：在實驗時給長木板安裝小輪子，將長木板變成平板小車，用滾動摩擦代替滑動摩擦，有效減小了長木板與桌面間的摩擦力，能輕松拉動平板小車，使木塊在相對滑動下保持靜止。此外，原有的方案中彈簧測力計在實驗過程中始終處于懸空狀態，在兩端拉力作用下，為保持整個彈簧測力計水平，彈簧測力計的彈簧、指針會與測力計的外殼摩擦，同時測力計的自重也會對實驗產生影響。實驗時在彈簧測力計下方墊上一個長木塊做支撐，能很好地保持彈簧測力計處于水平狀態，可以避免測力計內部零件不必要的摩擦，有效克服彈簧測力計因摩擦和自重對實驗的影響，使彈簧測力計的示數更穩定，讀數更準確。

3.3? 實驗裝置改進方案三

如圖5，將彈簧測力計豎直掛起，保持彈簧測力計在豎直方向上靜止，拉木塊的細繩通過定滑輪與測力計的掛鉤相連，定滑輪將水平方向的拉力改變成了豎直方向的拉力。用電動機向右拉動平板小車，木塊和彈簧測力計則保持靜止狀態，此時彈簧測力計示數就是木塊的滑動摩擦力大小。

優點分析：豎直懸掛的彈簧測力計能夠始終處于靜止狀態，便于準確讀數，同時在實驗過程中克服了彈簧測力計內部零件的摩擦及其自身重力的影響。用小電動機來拉平板小車可以保持長木板做水平勻速直線運動，使得實驗讀數誤差進一步減小，達到更好的實驗效果。改進后的實驗裝置，由于小電動機轉速可調，可以方便探究滑動摩擦力大小與木塊運動速度大小的關系，如表1。

將木塊按不同方法放置可便捷探究滑動摩擦力與受力面積大小的關系;此外用這套裝置還可研究力與運動的關系、做功與能量的關系、小電動機的機械效率等。

在實驗裝置改進的3個方案中，每種方案都比原來教材中的實驗裝置有所改進，而且3個改進方案層層遞進，后一種方案在原有方案基礎上進一步優化。到方案三時，不僅完美地解決了木塊勻速運動和從彈簧測力計上準確讀數的問題，還解決了彈簧測力計內部摩擦、自身重力以及較難拉動長木板的問題，使實驗裝置達到最佳效果。基于師生在教學活動中不斷發現新問題并不斷探索解決問題，才得到以上3個層層遞進的實驗裝置改進方案。改進方案不斷優化目的是要消除無關因素對實驗的干擾，讓實驗操作更簡單易行，增強實驗的科學性和可靠性，提高實驗效果。同時培養學生科學嚴謹的作風和實事求是的科學態度，以此全面提高學生的科學素養，為學生終身發展奠定基礎。

參考文獻：

[1] 陳國才.“滑動摩擦力大小與哪些因素有關”實驗系列改進探究[J].試題與研究，2019（9）：95.

[2] 義務教育物理課程標準實驗教科書編寫組.八年級全一冊[M].上海：上海科學技術出版社，2021.

[3] 孫豐富;朱召友.“探究影響滑動摩擦力大小因素”的實驗 [J].物理教師，2014（6）：45.

[4] 劉永樹.“探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關”的實驗及改進[J].物理教學，2015（7）：49-51.