王玉婷

摘要：教具對于物理課堂教學活動效果有著直接影響，其能將物理教科書中的基本知識元素直觀地展示出來，使學生更好的獲得物理知識素養(yǎng)。借助自制教具可將抽象的摩擦力問題轉(zhuǎn)化成直觀現(xiàn)象，幫助學生準確理解物理概念，形成物理觀念。本文將結(jié)合實踐操作談“探究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗教具的改進，以及自制教具對“摩擦力”相關(guān)現(xiàn)象的輔助分析。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；摩擦力；自制教具；直觀顯示

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1006-3315（2021）6-014-002

物理核心素養(yǎng)是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。新課改引導(dǎo)我們要設(shè)定使學生獲得物理學科核心素養(yǎng)為教育教學的重要目標，通過自制教具的使用能促進學生物理核心素養(yǎng)的形成。當學生進行實驗時，他們已經(jīng)擁有了一個科學的頭腦，并于腦海中形成了初步的物理概念。在自制教具使用中經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題并改進的活動，正是提高學生探索和解決問題的能力過程。本文將結(jié)合實踐操作談“探究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗教具的改進，以及自制教具對“摩擦力”相關(guān)現(xiàn)象的輔助分析。

一、對“探究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗的實踐探索

（一）教材實驗及不足

“摩擦力”是初二物理“力學”知識模塊的重點，難點知識。其感念抽象不容易理解，在解決相關(guān)問題時，常常只能理論分析而少了直觀感受，這節(jié)課中的“探究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗是幫助學生理解摩擦力相關(guān)知識點的重要實驗。教學中，首先通過回憶、重現(xiàn)、體驗等手段使學生猜想出影響滑動摩擦力大小的因素可能與接觸面間的壓力大小、接觸面間的粗糙程度和接觸面積大小等有關(guān)，如此即可明確實驗研究中要用到控制變量的研究方法，其中如何測量滑動摩擦力的大小是又一關(guān)鍵問題所在。由于學生沒有相關(guān)知識儲備，課本直接告知學生當用彈簧測力計水平拉動木塊使其做勻速直線運動時，測力計的讀數(shù)等于滑動摩擦力。

實驗器材（圖1）：木塊、長木板、彈簧測力計、棉線

實驗步驟：1.將彈簧測力計秤鉤通過棉線和木塊固定。2.彈簧測力計沿水平方向拉動木塊，使木塊沿著拉力方向在木板表面做勻速直線運動。3.讀出此時測力計的示數(shù)，即等于物體所受滑動摩擦力的大小。4.控制接觸面的材質(zhì)相同，在木塊上增加砝碼從而改變壓力大小重復(fù)2、3步驟將數(shù)據(jù)記錄于表格中。5.控制接觸面的壓力大小不變，改變木板表面的材質(zhì)從而改變粗糙程度重復(fù)2、3步驟記錄數(shù)據(jù)。6.控制接觸面的粗糙程度和壓力大小都不變，改變拉動的速度，記錄彈簧測力計的示數(shù)。

實驗結(jié)論：滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度、壓力的大小有關(guān)，接觸面越粗糙、壓力越大，滑動摩擦力越大，在一定范圍內(nèi)，滑動摩擦力的大小與接觸面積的大小無關(guān)。

如此得出的實驗結(jié)論和學生的生活經(jīng)驗基本是吻合的，學生能較好的接受。主要的困惑是在操作中暴露出來的以下問題：1.如何讓木塊做勻速直線運動？物體運動是否勻速很難判斷，學生一般采用慢速拉動的辦法，但操作中會發(fā)現(xiàn)常常出現(xiàn)頓挫現(xiàn)象導(dǎo)致彈簧測力示數(shù)忽大忽小無法讀數(shù)，所以要做勻速直線運動是很難的。2.不能研究以不同速度做勻速直線運動時對滑動摩擦力是否影響。本身拉動木塊做運速運動已經(jīng)很難，要拉動木塊做不同速度時的勻速運動基本不能實現(xiàn)。3.準確讀數(shù)較困難。由于是用手控制彈簧測力計拉著木塊運動，這樣就很難保證做勻速直線運動。而讀數(shù)時彈簧測力計一直在運動，學生的視線要和測力計保持同步運動，在運動時讀數(shù)，數(shù)據(jù)會有較大誤差?；谝陨蠁栴}，我對課本實驗方案進行如下改進。（二）實驗改進方案探索

本實驗的原理是當木塊處于二力平衡時通過彈簧測力計的示數(shù)轉(zhuǎn)化出滑動摩擦力的大小，而一個物體二力平衡時可以是做勻速直線運動或者是保持靜止狀態(tài)，結(jié)合實驗的實際問題為便于在彈簧測力計上準確讀數(shù)，就要讓彈簧測力計處于靜止狀態(tài)時讀數(shù)，即木塊也是處于靜止狀態(tài)的，此時木塊應(yīng)該在水平方向上處于靜止的二力平衡。為使靜止的木塊受到滑動摩擦力，就只能拉動下面的長木板，結(jié)合相對運動知識，靜止的木塊實質(zhì)上是相對于下面的木塊在做相對滑動使其受到滑動摩擦力的。

改進探索1：如圖2所示，彈簧測力計的提環(huán)固定，秤鉤鉤住木塊，使測力計和拉線處于水平狀態(tài)。用手緩慢拉動下面的長木板，我們會觀察到一開始木塊隨長木板一起運動，彈簧測力計讀數(shù)逐漸變大，當測力計示數(shù)達到一定值時木塊和木板之間就會開始產(chǎn)生滑動，持續(xù)拉動下方的木板而木塊已經(jīng)處于靜止狀態(tài)，此時讀數(shù)方便準確。這樣改進收到以下效果：1.當彈簧測力計和長木板之間產(chǎn)生滑動時，彈簧測力計處于靜止狀態(tài)，這樣便于讀數(shù)，減小誤差。2.操作中是拉動木板，木塊和木板處于相對運動狀態(tài)，讀數(shù)時木塊和測力計始終是靜止的。那么木塊相對于木板的滑動速度的改變就可以通過木板的拉動的快慢來實現(xiàn)，即可以先研究當其它因素相同時物體的滑動速度對滑動摩擦力是否有影響的內(nèi)容。通過研究即可發(fā)現(xiàn)，木塊所受滑動摩擦力的大小與滑動的速度無關(guān)，于是在拉動長木板運動時就不必控制長木板做勻速直線運動，這樣就大大降低了操作的難度。

改進探索2：這樣的設(shè)想合情合理，但經(jīng)實際操作學生馬上發(fā)現(xiàn)了新的問題：由于彈簧測力計自重影響，拉著木塊的棉線有明顯向下的彎曲，導(dǎo)致拉力不能沿著水平方向，如此必然導(dǎo)致讀數(shù)誤差增大，不能準確反映滑動摩擦力的大小。改進方案也很簡單，在測力計下方放置木塊等增高物，使得測力計和棉線始終處于水平狀態(tài)。

改進探索3：利用改進后的器材，學生多次進行了實驗。感受到當彈簧測力計處于靜止狀態(tài)時確實有助于讀數(shù)準確。由于不必控制木板做勻速直線運動，操作時確實也帶來方便。但操作時還是發(fā)現(xiàn)新的不足，由于實驗室木板的長度有限，木塊前方還有用于墊高的木塊阻擋，導(dǎo)致木板在木塊下方滑行的距離太短，因而滑行的時間太短讀數(shù)較為急促，若在研究速度大小是否影響滑動摩擦力大小時以更快的速度滑行根本就來不及讀數(shù)了。若減慢相對滑動速度來延長讀數(shù)時間，操作時同樣容易產(chǎn)生頓挫現(xiàn)象，給讀數(shù)帶來困難。

鑒于這個問題，筆者和學生一起設(shè)計了改進裝置。這是一個小型傳送帶裝置，它是按照木工砂帶打磨機仿制而成，傳送帶可以在手電鉆驅(qū)動下不停的轉(zhuǎn)動。操作時，將木塊放到水平傳送帶上，彈簧測力計掛鉤端鉤住木塊，另一端用鐵夾夾住測力計框架固定到立柱上，調(diào)節(jié)高度與木塊保持在同一水平面。使用手電鉆帶動傳送帶使其和木塊產(chǎn)生相對滑動。這樣改進的優(yōu)點：1.用夾具夾住彈簧測力計的外框架，可以避免其自重對拉力方向產(chǎn)生影響，只需調(diào)節(jié)夾具夾到不同的高度便可使測力計的拉力保持在水平方向；2.在手電鉆驅(qū)動下傳送帶不停的運動，木塊可以持續(xù)受到滑動摩擦力的作用，這樣學生就有足夠的時間準確讀數(shù)；3.傳送帶的轉(zhuǎn)速可以通過手把上的開關(guān)控制手電鉆的轉(zhuǎn)速從而得到改變，如此可方便研究不同的滑動速度對滑動摩擦力大小的影響；4.由于下方的木板換成了傳送帶裝置，在研究接觸面粗糙程度對滑動摩擦力影響時，更換粗糙程度不同的傳送帶不便操作，于是學生思考可以在木塊的多個面貼上棉布、毛巾等不同粗糙程度的材料，實驗時更換同一木塊的不同面與傳送帶接觸即可，同時也能保證壓力大小不變。

以上對實驗的改進過程凸顯了理論與實踐相結(jié)合，體現(xiàn)了學生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。學生沒有停留在知識點的識記，而是通過實驗探索實驗結(jié)論的正確性，如此有助于培養(yǎng)學生實驗探究能力。對實驗中出現(xiàn)的問題，教師要能適當引導(dǎo)學生思考，并嘗試改進，如此有助于鍛煉學生的科學思維。經(jīng)歷不斷的實踐和改進，為學生創(chuàng)造運用知識的舞臺，不斷強化學生探索真理的科學意識。所以，對于課本中的演示實驗和學生實驗不能停留在理論分析，一定要實際操作，只要我們在繼承基礎(chǔ)上勇于創(chuàng)新，換個角度去思考，敢于實踐，定能收到意外的效果。

二、借助自制教具突破“摩擦力”疑難問題

初中生的抽象分析能力較弱，且在解決問題時往往還會被一些已有的錯誤經(jīng)驗干擾，教學中常常要通過教具實物，化抽象為形象，變語言描述為直觀現(xiàn)象，這更適合初中學生的學習特點，也有助于學生自行構(gòu)建物理概念，形成物理基本觀念。

例如，在分析傳送帶上物體所受摩擦力時，以往就是先畫受力分析圖，再結(jié)合摩擦力的概念或力和運動的關(guān)系來判斷推理?？墒橇W物理概念本身抽象難懂，摩擦力的大小、方向、作用點這三要素的確定更是難點，解決這類問題時就可以利用這個自制教具直觀展示所受摩擦力情況，輔助學生加深對摩擦力的理解。

問題情景1：如何認識在水平面上滑動物體所受摩擦力？一般使用彈簧拉動水平桌面上的木塊，觀察彈簧被拉長了的現(xiàn)象進而分析推理出木塊受到了阻礙拉動的力即摩擦力。通過自制教具可將滑動摩擦力直觀化。教學中，將牙刷的刷頭組裝到了木塊上，刷毛向下放置于水平桌面，拉動木塊觀察到刷毛發(fā)生了彎曲現(xiàn)象。根據(jù)刷毛彎曲的現(xiàn)象即可判斷受到了滑動摩擦力，彎曲方向可以反映所受摩擦力的方向。如此有利于學生對摩擦力概念的理解。

問題情景2：一個物體靜止在斜面上要求分析物體所受摩擦力。問題實質(zhì)是要研究所受靜摩擦力的情況，如圖4所示可將傳送帶轉(zhuǎn)過一個角度傾斜固定，將帶刷毛的木塊放到斜面上處于靜止狀態(tài)，通過觀察刷毛向上彎曲的現(xiàn)象明確此時木塊受到沿斜面向上的摩擦力即可。

問題情景3：隨傾斜的傳動帶一起斜向上做勻速運動的木塊所受摩擦力方向向哪里？有學生認為木塊斜向上運動，摩擦力應(yīng)該是斜向下的。用手電鉆帶動傳送帶轉(zhuǎn)動，使木塊隨之一起斜向上勻速直線運動，觀察刷毛發(fā)現(xiàn)是向上彎曲的，說明此時受到的是斜向上的摩擦力。

問題情景4：使木塊隨傳送帶斜向下做勻速直線運動是否受到摩擦力作用？部分學生受到情景3問題的影響覺得摩擦力方向應(yīng)該是斜向下的。但通過再次觀察發(fā)現(xiàn)木塊下方的刷毛還是向上彎曲，說明此時同樣受到斜向上的摩擦力。

借助教具的展示學生感受到憑感覺是不可靠的，仔細分析實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)情景2、3、4都是關(guān)于靜摩擦力的分析，情景3和情景4中雖然木塊在運動，但實質(zhì)和情景2是一樣的，木塊和傳送帶都是處于相對靜止狀態(tài)，這時木塊受到阻礙沿斜面向下的運動趨勢，固而受到沿斜面向上的靜摩擦力。

問題情景5：木塊隨傳送帶一起水平向右勻速直線運動時（如圖3），對木塊水平方向受力分析（不計空氣阻力）。同學們認為既然向右運動那么一定受到向左的摩擦力。教學中一般順著學生的錯誤思維用假設(shè)法分析：假設(shè)木塊受到一個水平向左的摩擦力，那么這個摩擦力只能是傳送帶施加給它。而木塊要沿水平方向做勻速直線運動，必定還要受到一個水平向右的力和假設(shè)的摩擦力相平衡，但是找不到施力物體，于是判斷不存在這樣一個與之平衡的力，而要做勻速直線運動只能是在水平方向不受力了，最終判斷假設(shè)的摩擦力是不存在。對于一般的學生如此高要求的分析在短時間內(nèi)是理解不了的。

如果借助自制教具問題便會迎刃而解。啟動傳送帶，用手擋住木塊，我們觀察到刷毛彎曲，說明此時有摩擦力。撤銷阻擋，使木塊隨傳送帶一起做勻速直線運動，觀察到木塊下方的刷毛變豎直了，進而推知此時木塊在水平方向不受摩擦力作用，最終得出水平方向不受力的結(jié)論。

問題情景6：這種情況屬于情景5的變化拓展，靜止的米袋放到水平向右勻速運動的傳送帶上，米袋先在傳送帶上滑動，后隨傳動帶一起做勻速直線運動，請分析此過程中摩擦力的情況。學生常常搞不清滑動時摩擦力的方向，利用這個教具我們可以重現(xiàn)這一情景。將木塊的刷毛向下慢慢放置到運動的傳送帶上，注意當刷毛和傳動帶接觸時手不要松開，此時可以觀察到刷毛在傳送帶帶動下發(fā)生了彎曲，彎曲方向是和傳送帶運動方向一致的，即此時是受到的摩擦力方向是向右的。有了這樣的情景再現(xiàn)，學生可以正確理解“米袋先在傳送帶上滑動”這句話應(yīng)該是“傳送帶在米袋下方向右滑動，米袋相對于傳送帶向左滑動”的實質(zhì)。后續(xù)米袋開始勻速直線運動時摩擦力的情況與情景5的分析過程是一樣的了。

綜上分析，將抽象的問題直觀化有助學生更快地理解物理知識。只要我們教師在教學中能理論聯(lián)系實際，勇于實踐，不斷改進和創(chuàng)新出更優(yōu)的實驗設(shè)計和教具，就會收到意想不到的效果。

參考文獻：

[1]孫豐富，朱召友.“探究影響滑動摩擦力大小因素”的實驗改進，物理教師，2014

[2]劉炳升，李榮.義務(wù)教育教科書物理，南京：江蘇科學技術(shù)出版社