宋培文 黃曉華 莫小靜 郭長春 謝志剛

(四川省南充高級中學(xué)，四川 南充 637900)

1 引言

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，實(shí)驗(yàn)探究是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的主要途徑。良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)既可以幫助學(xué)生理解物理概念和規(guī)律，又可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，因此設(shè)計(jì)和改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)是教師帶動學(xué)生創(chuàng)新、提高課堂效率、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的有效方式。實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和設(shè)計(jì)必須圍繞有利于教學(xué)開展，必須做到現(xiàn)象明顯、數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確。本文介紹了“滑動摩擦力大小探究器”教具改進(jìn)的背景、制作、使用，通過猜想、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2 教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足

“摩擦力”是人教版八年級教材第八章“運(yùn)動和力”第3節(jié)的內(nèi)容，教材中“探究影響滑動摩擦力大小因素”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示，在水平長木板上放一個木塊，利用測力計(jì)勻速拉動木塊，利用二力平衡的原理，改變壓力和接觸面粗糙程度等因素，測定摩擦力的大小，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在以下不足：

圖1

(1) 實(shí)驗(yàn)中必須使木塊的運(yùn)動為勻速直線運(yùn)動，才能滿足二力平衡的條件，但是用手拉木塊，很難使木塊在較長的時(shí)間內(nèi)勻速運(yùn)動。

(2) 木塊被拉動后，可能示數(shù)還沒有穩(wěn)定，木塊就已被拖到了木板邊緣，因此需要較長的木板和較大的操作空間。

(3) 彈簧測力計(jì)需水平放置，因受重力作用，彈簧與外殼、指針與外殼都存在較大摩擦，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大；彈簧測力計(jì)處于運(yùn)動狀態(tài)，導(dǎo)致讀數(shù)難度加大。

(4) 在探究滑動摩擦力是否與接觸材料和材料的粗糙程度有關(guān)時(shí)，鋪在木板上的材料不易固定，影響了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

3 “探究滑動摩擦力大小”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

3.1 裝置簡介

針對以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足，筆者設(shè)計(jì)制作了“滑動摩擦力探究實(shí)驗(yàn)器”(圖2)。

圖2

主要結(jié)構(gòu)包括：支架、水平調(diào)節(jié)螺釘、皮帶輪、手搖把柄、皮帶、豎直固定桿、彈簧測力計(jì)(高度可調(diào))、定滑輪(高度可調(diào))。配件包括：水平儀、底部粘貼有不同材料的同規(guī)格木塊(圖3)、鉤碼、細(xì)線等。

圖3

3.2 實(shí)驗(yàn)操作

(1) 將水平儀放在皮帶上表面，調(diào)節(jié)支架底部的4個調(diào)節(jié)螺釘，使皮帶面水平。然后調(diào)節(jié)彈簧測力計(jì)到合適位置，用細(xì)線繞過定滑輪與放在皮帶上的木塊相連，調(diào)節(jié)定滑輪的高度，確保定滑輪與木塊之間的細(xì)線處于水平。搖動手搖把柄使皮帶運(yùn)動，讀出彈簧測力計(jì)示數(shù)，根據(jù)二力平衡條件可知：彈簧測力計(jì)的示數(shù)等于滑動摩擦力的大小。

(2) 在實(shí)驗(yàn)中增減滑塊上鉤碼的個數(shù)，以改變滑塊對皮帶的正壓力，定量探究滑動摩擦力大小與正壓力大小的關(guān)系。

(3) 通過更換底部粘貼有不同材料的同規(guī)格木塊，探究滑動摩擦力與接觸面材料的關(guān)系。

證明 (1)由τCSI?τ,clX{x}?clCSI(X){x},下證clCSI(X){x}?clX{x},只需證XclX{x}?XclCSI(X){x}。注意到XclCSI(X){x}=intCSI(X)(X{x})及XclX{x}?X{x},于是又只需證XclX{x}∈τCSI即可。

(4) 換用質(zhì)量和接觸面材料相同、接觸面積不同的滑塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究滑動摩擦力大小與接觸面積的關(guān)系。

(5) 實(shí)驗(yàn)中手搖轉(zhuǎn)柄可自由改變皮帶的運(yùn)動速度，研究滑動摩擦力大小是否與相對運(yùn)動速度有關(guān)。

3.3 創(chuàng)新之處

本實(shí)驗(yàn)裝置的制作思路來源于教材，而又不拘泥于教材，創(chuàng)新之處如下：

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置雖然仍應(yīng)用二力平衡的原理，但放棄了難以實(shí)現(xiàn)的動態(tài)平衡，改為更容易實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)平衡。實(shí)驗(yàn)中只要木塊與地面保持相對靜止，就滿足二力平衡條件，不受皮帶運(yùn)動狀態(tài)的影響。

(2) 用皮帶代替固定的長木板，既能連續(xù)操作使讀數(shù)長時(shí)間保持穩(wěn)定，又能減小操作空間。

(3) 將彈簧測力計(jì)改為豎直固定安裝，不僅有助于減小因彈簧自重、指針與外殼的摩擦等帶來的系統(tǒng)誤差，而且使彈簧測力計(jì)由動變靜，讀數(shù)更容易，結(jié)果更準(zhǔn)確。

(4) 實(shí)驗(yàn)中將粗糙程度不同的材料直接粘貼在相同規(guī)格木塊的下表面，只需更換木塊，就能達(dá)到改變粗糙程度的目的。既節(jié)省了操作時(shí)間，又克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中更換材料后材料不易固定、不平整的缺點(diǎn)。

(5) 彈簧測力計(jì)位置、支架底部高度、定滑輪高度均可調(diào)，在測力計(jì)背面也加上刻度，這些措施可以使實(shí)驗(yàn)效果達(dá)到最佳。

(7) 本實(shí)驗(yàn)裝置制作容易、操作簡便、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，值得推廣。

3.4 擬改進(jìn)之處

由于皮帶材料較硬，該實(shí)驗(yàn)裝置在使用過程中會出現(xiàn)滑塊側(cè)移和彈簧測力計(jì)讀數(shù)變化的情況，擬作如下改進(jìn)：

(1) 采用變速電動機(jī)帶動皮帶轉(zhuǎn)動，使操作更加方便，電動機(jī)逐漸改變轉(zhuǎn)速，以更好地探究摩擦力大小與皮帶和木塊間相對速度的關(guān)系；

(2) 改用DIS(數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng))的力傳感器，更加準(zhǔn)確地測量摩擦力的大??；

(3) 選用較柔軟的皮帶材料使物塊更加平穩(wěn)。

4 利用自制教具優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

課程標(biāo)準(zhǔn)要求引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用控制變量法等方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，提高自身的科學(xué)探究能力。[2]因此在堅(jiān)持學(xué)生主體、教師主導(dǎo)、尊重教學(xué)實(shí)際的基礎(chǔ)上，我們將高中階段的摩擦力大小探究教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

4.1 復(fù)習(xí)舊知，提出猜想

提出問題：滑動摩擦力大小可能與哪些因素有關(guān)？學(xué)生已有初中物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，很容易提出：壓力、接觸材料以及接觸面的粗糙程度會影響到滑動摩擦力大小。再引導(dǎo)學(xué)生猜想出滑動摩擦與壓力大小是正比關(guān)系，學(xué)生猜想是否正確，需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

4.2 分組討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

引導(dǎo)學(xué)生分組討論，利用桌上的器材(彈簧測力計(jì)、木板、物塊等)制定實(shí)驗(yàn)方案，分別測量滑動摩擦力和壓力的大小。學(xué)生根據(jù)初中所學(xué)的知識和課前預(yù)習(xí)，可能會提出如下兩種方案：

(1) 將長木板放在水平桌面上，把小木塊放在長木板上，用彈簧測力計(jì)水平拉動小木塊，使木塊做勻速直線運(yùn)動，根據(jù)二力平衡條件知：滑動摩擦力大小等于彈簧測力計(jì)的讀數(shù)。

(2) 先把彈簧測力計(jì)的一端與小木塊相連，另一端水平固定，再把木板放在木塊下面水平拉出，根據(jù)二力平衡條件知：滑動摩擦力大小等于彈簧測力計(jì)的讀數(shù)(圖4)。

圖4

4.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，測量數(shù)據(jù)

學(xué)生經(jīng)討論分析后發(fā)現(xiàn)第二種方案更合理，但第二種方案也有不足，如實(shí)驗(yàn)的空間受到限制、彈簧測力計(jì)自身有重量等，引導(dǎo)學(xué)生思考改進(jìn)的措施，然后師生共同分析總結(jié)。

教師展示并介紹自制的“摩擦力探究實(shí)驗(yàn)器”，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，不同的小組使用不同的木塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，多次增減鉤碼、測量數(shù)據(jù)，并將結(jié)果記錄在表1中。

表1

4.4 分享成果，得出結(jié)論

4.5 反思

自制教具要合理運(yùn)用到教學(xué)活動中，才可能最大限度地發(fā)揮作用。學(xué)生在復(fù)習(xí)初中所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出猜想、設(shè)計(jì)和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、完成實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論等完整的科學(xué)探究過程，在這個過程中不斷優(yōu)化自己的實(shí)驗(yàn)方案，最終引入筆者的自制教具完成實(shí)驗(yàn)，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高了課堂教學(xué)的效率，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

5 結(jié)語

物理教學(xué)中對實(shí)驗(yàn)器材和方案進(jìn)行改進(jìn)，源于教材又高于教材，突破教材上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足，使實(shí)驗(yàn)具有較高的可操作性，節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，降低了學(xué)習(xí)難度，提高了課堂效率。教學(xué)活動中合理利用自制教具，引導(dǎo)學(xué)生思考，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，注重物理知識的生成過程，可以不斷培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。