廣東省深圳市龍崗區(qū)寶龍學(xué)校 陳飛虎

新課標(biāo)對小學(xué)階段的科學(xué)課程設(shè)置了13個(gè)核心概念，其中，“物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與相互作用”部分要求學(xué)生通過設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，觀察常見的摩擦力，了解摩擦力的大小對運(yùn)動(dòng)的影響。摩擦力是日常生活中常見的力，但它不僅抽象，而且是“被動(dòng)力”，所以，對于學(xué)生來說，難以理解。因此，在“摩擦力”的學(xué)習(xí)過程中，教師可以通過創(chuàng)設(shè)情境，開展關(guān)于摩擦力的實(shí)驗(yàn)探究，從而引導(dǎo)學(xué)生更好地理解。各個(gè)版本的教材大致設(shè)計(jì)了“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”和“探究不同種類摩擦力的大小”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，存在操作難度大、步驟煩瑣、讀數(shù)不準(zhǔn)等問題。本文利用數(shù)字化測力計(jì)改進(jìn)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，較好地解決了以上問題。

一、已有實(shí)驗(yàn)方案及不足

青島版教材中，設(shè)計(jì)了“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。關(guān)于“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”的實(shí)驗(yàn)，許多教育工作者對此都有研究。教材中，本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法和轉(zhuǎn)換法相結(jié)合的方法進(jìn)行探究：用手勻速拉彈簧測力計(jì)，讓物體在不同粗糙程度的平面上運(yùn)動(dòng)，探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面粗糙程度的關(guān)系；增加物體的質(zhì)量再次拉動(dòng)物體，探究滑動(dòng)摩擦力與物體質(zhì)量的關(guān)系。它的優(yōu)點(diǎn)在于：原理簡單，容易理解；材料簡單，較好開展。缺點(diǎn)在于：很難用手勻速拉動(dòng)彈簧測力計(jì)，在彈簧測力計(jì)被拉動(dòng)的過程中進(jìn)行讀數(shù)難度較大。

教科版教材中，設(shè)計(jì)了“探究不同種類摩擦力的大小”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。關(guān)于“探究不同種類摩擦力的大小”的實(shí)驗(yàn)，教材中，本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法和等效替代法相結(jié)合的方法進(jìn)行探究：將一個(gè)放了重物的紙盒作為研究對象，將它放在木板上，通過墊圈拉動(dòng)它在粗糙的平面上運(yùn)動(dòng)；分別完成“直接滑動(dòng)”，在紙盒下放筆或筷子等作“滾木”、在紙盒下安裝輪子三種搬運(yùn)方式，探究三種不同的摩擦力；用拉動(dòng)物體所需要的墊圈數(shù)量來等效替代拉動(dòng)物體的力，從而比較不同三種情況摩擦力的大小。優(yōu)點(diǎn)在于：容易實(shí)現(xiàn)，不需要?jiǎng)蛩偻蟿?dòng)彈簧測力計(jì)；讀數(shù)簡單，只需要記錄墊片數(shù)量。缺點(diǎn)在于：原理較難理解，學(xué)生需要將墊圈數(shù)量與拉動(dòng)紙盒的力之間建立聯(lián)系，增加了思維負(fù)擔(dān)；操作難度增加，增加定滑輪、小托盤、墊圈等器材，學(xué)生需要同時(shí)操作紙盒，增減墊圈。

實(shí)際教學(xué)中，教師對以上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。部分教育工作者利用數(shù)字測力計(jì)代替以上實(shí)驗(yàn)的測力工具，實(shí)時(shí)顯示拉力的具體大小，讀數(shù)難度有所降低，但依然無法完美解決人手非勻速拉動(dòng)所導(dǎo)致的讀數(shù)持續(xù)變化的問題。也有使用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方案，其中，力傳感器連接電腦能對讀取力的大小變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，較好地得出勻速運(yùn)動(dòng)的拉力，但對于小學(xué)生來說要求相對較高。

二、可編程數(shù)字化測力計(jì)的開發(fā)及有效性校驗(yàn)

本文使用力的傳感器、采集卡、單片機(jī)、顯示屏等開源硬件，結(jié)合3D打印技術(shù)制作可編程數(shù)字化測力計(jì)代替以上實(shí)驗(yàn)的測力工具，對“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”和“探究不同種類摩擦力的大小”這兩個(gè)小學(xué)摩擦力的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)。

力傳感器將拉力的大小轉(zhuǎn)化為對應(yīng)模擬信號(hào)，通過采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)讀取信號(hào)后先判斷拉動(dòng)過程是否滿足勻速運(yùn)動(dòng)的條件，若不滿足則在屏幕顯示報(bào)錯(cuò)，要求重做實(shí)驗(yàn)，若滿足則截取勻速運(yùn)動(dòng)過程的拉力信號(hào)進(jìn)行處理后將結(jié)果顯示在屏幕上。

為驗(yàn)證此測力計(jì)結(jié)果的可靠性，教學(xué)中開展了如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)器材：可編程數(shù)字化測力計(jì)、木塊、細(xì)繩、鉤碼。

實(shí)驗(yàn)裝置：如圖1所示。

圖1

實(shí)驗(yàn)過程：（1）木塊直接放在水平木板上，細(xì)繩一端系著木塊，另一端系在測力計(jì)上，勻速拉測力計(jì)，讓木塊在水平木板上運(yùn)動(dòng)，讀取測力計(jì)示數(shù)；（2）連接電腦讀取采集卡的所有讀數(shù)；（3）在木塊上放鉤碼，重復(fù)步驟（1）（2），獲得多組數(shù)據(jù)；（4）繪制拉力變化圖，如圖2所示。

圖2

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)1～4中，從不同的采樣時(shí)間開始用力拉物體，拉力增加（此時(shí)物體靜止），達(dá)到某一峰值后（超過最大靜摩擦，物體開始運(yùn)動(dòng)）拉力稍稍降低保持在某一較平緩的范圍（物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)），持續(xù)一段時(shí)間之后拉力劇降為0（物體停止運(yùn)動(dòng)）。測力計(jì)能截取勻速直線運(yùn)動(dòng)區(qū)域數(shù)據(jù)，計(jì)算出此時(shí)拉力，根據(jù)二力平衡條件，此時(shí)拉力等于物體受到的摩擦力。實(shí)驗(yàn)5、6中，拉力變化不滿足勻速直線運(yùn)動(dòng)，測力計(jì)反饋“未勻速”結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：使用該數(shù)字測力計(jì)能判斷物體是否做水平勻速直線運(yùn)動(dòng)，較準(zhǔn)確地反饋勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的拉力大小，是對傳統(tǒng)測力儀器的優(yōu)化，不僅操作簡單，而且測量結(jié)果直接準(zhǔn)確，可以解決以上兩個(gè)摩擦力實(shí)驗(yàn)中的問題。

三、用可編程數(shù)字化測力計(jì)探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素

實(shí)驗(yàn)器材：可編程數(shù)字化測力計(jì)、木塊、細(xì)繩、鉤碼、木板、毛巾。實(shí)驗(yàn)裝置：如圖3所示。

圖3

實(shí)驗(yàn)過程：（1）木塊直接放在水平木板上，細(xì)繩一端系著木塊，另一端系在測力計(jì)上，勻速拉測力計(jì)，讓木塊在水平木板上運(yùn)動(dòng)，讀取測力計(jì)示數(shù)；（2）在步驟（1）的條件下，在木塊與木板之間加一條毛巾，勻速拉動(dòng)木塊，讀取測力計(jì)示數(shù)；（3）在步驟（1）的條件下，在木塊上加4個(gè)50g鉤碼，勻速拉測力計(jì)，讓木塊在水平木板上運(yùn)動(dòng)，讀取測力計(jì)示數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：見表1所列。

表1 探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面粗糙程度、物體的質(zhì)量有關(guān)。物體的質(zhì)量相同，接觸面越粗糙，滑動(dòng)摩擦力越大；接觸面粗糙程度相同，質(zhì)量越大，滑動(dòng)摩擦力越大。

四、用可編程數(shù)字化測力計(jì)探究不同種類摩擦力的大小實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)器材：可編程數(shù)字化測力計(jì)、可拆卸輪子的小車、細(xì)繩、鉤碼、鉛筆。

實(shí)驗(yàn)裝置：如圖4所示。

圖4

實(shí)驗(yàn)過程：（1）小車卸下輪子裝上800g鉤碼，放在水平桌面上，細(xì)繩一端系著小車，另一端系在測力計(jì)上，勻速拉測力計(jì)，讓小車在水平木板上運(yùn)動(dòng)，讀取測力計(jì)示數(shù)；（2）在步驟（1）的條件下，在小車下加圓鉛筆作為“滾木”，勻速拉測力計(jì)，讓小車在水平木板上運(yùn)動(dòng)，讀取測力計(jì)示數(shù)；（3）在步驟（1）的條件下，將輪子裝回小車，勻速拉測力計(jì)，讓小車在水平木板上運(yùn)動(dòng)，讀取測力計(jì)示數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：見表2所列。

表2 探究不同種類摩擦力的大小

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：用不同的方式搬運(yùn)重物，摩擦力的大小不同。物體質(zhì)量相同，直接滑動(dòng)物體、使用“滾木”、使用輪子這三種情況下摩擦力依次減小。

五、實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)裝置有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）裝置簡單，直接拉動(dòng)可編程數(shù)字化測力計(jì)直接測量，實(shí)驗(yàn)過程明了；（2）操作簡單，相較于彈簧測力計(jì)，學(xué)生更容易實(shí)現(xiàn)勻速拉動(dòng)，拉動(dòng)結(jié)束后直接讀取顯示屏讀數(shù)；（3）科學(xué)可靠，可編程數(shù)字化測力計(jì)讀數(shù)精準(zhǔn)，能通過程序?qū)蛩龠\(yùn)動(dòng)進(jìn)行不同等級的判定，結(jié)果可靠；（4）經(jīng)濟(jì)且可拓展，本測力計(jì)成本約為市場常見數(shù)字化測力計(jì)的一半以內(nèi)，功能可根據(jù)使用者需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，可拓展性強(qiáng)。

可編程數(shù)字化測力計(jì)的使用，有利于學(xué)生開展關(guān)于摩擦力的探究學(xué)習(xí)，掌握控制變量法，培養(yǎng)科技創(chuàng)新的興趣，落實(shí)了新課標(biāo)關(guān)于科學(xué)課程培養(yǎng)科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任四個(gè)核心素養(yǎng)的要求。