黃啟剛

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

關(guān)鍵詞：教材;實(shí)驗(yàn);改進(jìn);滑動摩擦力

1? 教材實(shí)驗(yàn)回顧

“探究影響滑動摩擦力與哪些因素有關(guān)”是初中物理課標(biāo)要求的基本實(shí)驗(yàn)之一[ 1 ]，是初中物理力學(xué)中一個非常重要的探究實(shí)驗(yàn)。學(xué)生要用轉(zhuǎn)換法和控制變量法間接測量滑動摩擦力的大小，本實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)有良好的導(dǎo)向作用。滬科版八年級物理教材第六章“科學(xué)探究：摩擦力”是用圖1[ 2 ]所示的器材和步驟來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)不僅要考查學(xué)生使用彈簧測力計(jì)測量拉力的操作，還要考查學(xué)生對轉(zhuǎn)換法和控制變量法的應(yīng)用，對學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究等核心素養(yǎng)要求比較高。通過對本實(shí)驗(yàn)有效教學(xué)，能讓學(xué)生突破對摩擦力概念的認(rèn)識，提高學(xué)生的操作技能，培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素養(yǎng)。

2? 教材存在的不足

教材中的實(shí)驗(yàn)在文字表述中存在一些不夠科學(xué)、不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?，?shí)驗(yàn)裝置也存在一些不足，會影響實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)效果。

2.1? 文字表述不嚴(yán)謹(jǐn)

教材中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)環(huán)節(jié)提到“滑動摩擦力與哪些因素有關(guān)”，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(diǎn)？表述指向不清，不夠規(guī)范。應(yīng)該表述為“滑動摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)”。

2.2? 編排邏輯欠科學(xué)

本實(shí)驗(yàn)是用轉(zhuǎn)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(jié)“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(shí)驗(yàn)的基本原理。但測量摩擦力的實(shí)驗(yàn)原理沒有二力平衡條件作鋪墊，只作一句簡要說明，學(xué)生依然容易產(chǎn)生疑惑。這種編排邏輯不盡科學(xué)，最好把“科學(xué)探究摩擦力”安排在第七章“力的平衡”之后再學(xué)習(xí)，學(xué)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(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。

2.3? 實(shí)驗(yàn)裝置有缺陷

滬科版教材按如圖2實(shí)驗(yàn)裝置和方法，把看不見的摩擦力轉(zhuǎn)換為彈簧測力計(jì)的拉力，可直接在測力計(jì)上讀出摩擦力的大小。教材提供的實(shí)驗(yàn)裝置看似簡單易行，實(shí)則不便于操作：因?yàn)檫@個探究實(shí)驗(yàn)成功與否，取決于實(shí)驗(yàn)測量的方法是否合理，測量結(jié)果是否可靠。本實(shí)驗(yàn)要保證木塊在長木板上勻速直線滑動，同時還要準(zhǔn)確讀數(shù)，但用手直接拉動彈簧測力計(jì)很難保證木塊始終做勻速直線運(yùn)動，其次測力計(jì)一直在運(yùn)動中，較難精確讀數(shù)[ 3 ]。

3? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

滬科版教材在實(shí)驗(yàn)裝置存在一些不足，影響到了實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不斷探索，對此實(shí)驗(yàn)裝置先后作了如下改進(jìn)。

3.1? 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案一

如圖3，把木塊置于長木板上方，實(shí)驗(yàn)時固定彈簧測力計(jì)的拉環(huán)，讓彈簧測力計(jì)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(jì)上讀出來。

優(yōu)點(diǎn)分析：彈簧測力計(jì)保持靜止?fàn)顟B(tài)，示數(shù)穩(wěn)定，可準(zhǔn)確讀數(shù)。拉動長木板，可使木塊與長木板之間發(fā)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(jì)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(jì)示數(shù)等于木塊受到的摩擦力。因滑動摩擦力與物體運(yùn)動速度無關(guān)，拉動長木板滑動時可以是變速運(yùn)動，也可以是勻速直線運(yùn)動[ 4 ]。因而操作簡單易行，實(shí)驗(yàn)效果明顯改善。

3.2? 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案二

如圖4，在彈簧測力計(jì)下方墊上一塊高度適宜的木塊，使測力計(jì)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(jì)的拉力和平板小車對它的摩擦力而保持靜止。彈簧測力計(jì)的示數(shù)就是木塊受到的滑動摩擦力。

優(yōu)點(diǎn)分析：在實(shí)驗(yàn)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(jì)在實(shí)驗(yàn)過程中始終處于懸空狀態(tài)，在兩端拉力作用下，為保持整個彈簧測力計(jì)水平，彈簧測力計(jì)的彈簧、指針會與測力計(jì)的外殼摩擦，同時測力計(jì)的自重也會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)時在彈簧測力計(jì)下方墊上一個長木塊做支撐，能很好地保持彈簧測力計(jì)處于水平狀態(tài)，可以避免測力計(jì)內(nèi)部零件不必要的摩擦，有效克服彈簧測力計(jì)因摩擦和自重對實(shí)驗(yàn)的影響，使彈簧測力計(jì)的示數(shù)更穩(wěn)定，讀數(shù)更準(zhǔn)確。

3.3? 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案三

如圖5，將彈簧測力計(jì)豎直掛起，保持彈簧測力計(jì)在豎直方向上靜止，拉木塊的細(xì)繩通過定滑輪與測力計(jì)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(jī)向右拉動平板小車，木塊和彈簧測力計(jì)則保持靜止?fàn)顟B(tài)，此時彈簧測力計(jì)示數(shù)就是木塊的滑動摩擦力大小。

優(yōu)點(diǎn)分析：豎直懸掛的彈簧測力計(jì)能夠始終處于靜止?fàn)顟B(tài)，便于準(zhǔn)確讀數(shù)，同時在實(shí)驗(yàn)過程中克服了彈簧測力計(jì)內(nèi)部零件的摩擦及其自身重力的影響。用小電動機(jī)來拉平板小車可以保持長木板做水平勻速直線運(yùn)動，使得實(shí)驗(yàn)讀數(shù)誤差進(jìn)一步減小，達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，由于小電動機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，可以方便探究滑動摩擦力大小與木塊運(yùn)動速度大小的關(guān)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(guān)系;此外用這套裝置還可研究力與運(yùn)動的關(guān)系、做功與能量的關(guān)系、小電動機(jī)的機(jī)械效率等。

在實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)的3個方案中，每種方案都比原來教材中的實(shí)驗(yàn)裝置有所改進(jìn)，而且3個改進(jìn)方案層層遞進(jìn)，后一種方案在原有方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。到方案三時，不僅完美地解決了木塊勻速運(yùn)動和從彈簧測力計(jì)上準(zhǔn)確讀數(shù)的問題，還解決了彈簧測力計(jì)內(nèi)部摩擦、自身重力以及較難拉動長木板的問題，使實(shí)驗(yàn)裝置達(dá)到最佳效果。基于師生在教學(xué)活動中不斷發(fā)現(xiàn)新問題并不斷探索解決問題，才得到以上3個層層遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)方案。改進(jìn)方案不斷優(yōu)化目的是要消除無關(guān)因素對實(shí)驗(yàn)的干擾，讓實(shí)驗(yàn)操作更簡單易行，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和可靠性，提高實(shí)驗(yàn)效果。同時培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，以此全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書編寫組.八年級全一冊[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)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(shí)驗(yàn) [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(guān)”的實(shí)驗(yàn)及改進(jìn)[J].物理教學(xué)，2015（7）：49-51.