研究滑动摩擦力影响因素的实验优化策略

张丽媛

（大同煤矿集团有限责任公司技师学院，山西 大同037003）

0 引言

摩擦力是物理学科中一个重要的概念，中学物理教育的其中一个重点就是滑动摩擦定律及其影响因素。但常规的有关滑动摩擦力影响的课堂实验都比较粗糙而且非常缺乏说服力，这导致学生对其认识有偏差。物理教学中的学生自主创新实验探究是以学生物理核心素养培育与发展为路径的深度学习的具体策略与实施，以符合学生认知规律和能力发展水平为前提，以培养学生探究能力、实践能力和创新能力为核心。本文通过探究滑动摩擦力大小与接触面积是否有关等一些实验例子，让学生既培养了科学精神又提升了物理核心素养[1]。

1 实验优化的原因

教科书引导学生猜测影响滑动摩擦力的因素：接触表面的压力和粗糙度。在专门针对实验设计的部分“如何测量滑动摩擦力”中，教科书告诉学生：将物体放在水平桌上，并使用弹簧测力计将其水平拉动，以便做匀速直线运动，在这段时间内，弹簧测量力显示的读数等于物体受到的滑动摩擦力。这句话虽然很容易理解，但是实际的操作过程却很困难，其主要的原因在于非常困难的控制物体做匀速直线运动，并且弹簧测力计的读数很难控制在误差范围内，从而导致实验的效果不明显，甚至影响实验结论的正确性。

2 情景优化设计

2.1 情景导入

书本介绍了让木块在水平面上做匀速直线运动，同学们需要思考为什么在水平面上需要做匀速直线运动？通过老师的指导学生们明显发现了在水平方向上二力平衡，拉力的大小等于摩擦力的大小；接着让学生们尝试用弹簧测力计拉动木块，操作后发现弹簧测力计也在运动，却很难读数而且读数很难稳定；学生接着思考如果让弹簧测力计不动，物体又如何受到的是滑动摩擦力？此时老师给学生多加一个长木板并引导学生回忆一下，当时学相对运动的时候，学生们坐在位置上不动，老师在学生面前走动，学生们就想起来他们相对老师是运动的。进行类比后学生们就很容易看出想要木块受到滑动摩擦力，那么就需要木块和它接触的物体之间是要相对静止，老师接着引导学生思考怎么样让弹簧测力计拉着木块相对于地面静止，然后又能让木块和长木板之间发生的是滑动摩擦力呢？老师引导学生想到找一个东西让弹簧测力计固定，然后让弹簧测力计拉着木块，再让长木板在木块下面运动就能做到。

2.2 书本实验过程的介绍

用一个铁架台将弹簧测力计固定，拉动木块下面的长木板，木块和长木板之间发生了相对运动，他们之间发生的运动就是滑动摩擦力。

2.3 实验示范

老师给学生进行示范并与同学们一起分析木块的受力情况，在示范过程中老师提出木块和长木板之间发生了相对运动，但是木块相对于地面是静止的，那么木块在水平方向上受到哪些力？学生们很容易的说出是弹簧测力计对木块的拉力，和长木板对它的摩擦力。然后接着提出木块受到的摩擦力等于多少？引导学生想到木块相对于地面静止，那么在水平方向上受力平衡，木块受到的拉力大小就等于它受到的摩擦力的大小。这样就可以测量出摩擦力的大小。让学生了解到这些知识后，把老师用的弹簧测力计改为学生用弹簧测力计后，让学生们亲自进行操作。

2.4 实验小结

师：大家都能够很好的测量出物体受到的摩擦力的大小。那么接下来请大家回忆一下，刚才我们在测量滑动摩擦力的实验过程中，请思考长木板的运动快慢会不会影响到木块受到的摩擦力？木块受到的摩擦力的大小可能和什么因素有关呢？请同学进行实验。

3 实验优化的过程

3.1 策略一

在原本的实验过程中拉动长的木板时，虽然在做匀速直线运动的前提下，弹簧测力计的示数就是木块受到的摩擦力大小。但在此过程中非常难做到弹簧测力计始终保持水平状态，这就会可能发生读出的度数不准确，进而造成误差较大。

就以上问题可在改变拉力的方向加上一个定滑轮。加上定滑轮之后，弹簧测力计就由水平测量改变成了竖直测量，误差因此就减小了。但随之而来又出现了一个这样的问题：对于初次接触物理中力学的初二学生，还是很难理解这个实验的实验原理，同时也有部分同学对物体受摩擦力的大小、方向产生疑惑[2]。

3.2 策略二

一次偶然的机会下发现了玩具汽车自带的发动机是属于匀速自转，马上就想起有关于滑动摩擦力的实验，开始了此次的优化实验。

为了减少弹簧测力计因使用方向而产生的误差和保证物体做匀速直线运动，而采取弹簧测力计夹在发动机顶部并且保持竖直状态，绕过定滑轮在水平面上使木块做匀速直线运动。这样的操作简化了实验步骤，此实验需要学生做的就是轻轻按动开关，观察物体的运动状态及弹簧测力计的示数。虽然这两大问题得到了解决，但是仍存在实验用具不方便携带、老师进行实验操作时学生观看实验受视野范围的影响[3]。

3.3 策略三

在一次教学过程中，看到板擦吸附在了黑板上，想到可以通过磁石将所有物体吸附在黑板上，这样也可将长木板和定滑轮均更换成磁石，做法如下：

（1）玩具汽车的电动机匀速转动，拉动三个分别编号为1、2、3号实验盒的物体做匀速直线运动，像透明可视的1号实验盒放入4个磁铁，2号实验盒放入3个磁铁，3号实验盒放入1块小木块与2个磁铁，这样做的目的是使其2号和3号的重力一样，但压力又有所不同，通过读取弹簧测力计看到1号实验盒测力计示数最大、2、3号相对较小。老师应积极引导学生做出正确的实验并且引导得出正确的实验结论。此套实验用具的优点是保证小木块做匀速直线运动，解决了教材中不能实现的问题[4]。

（2）2号、4号实验盒的接触面积不同，磁铁个数相同时在电动机的带动下小木块做匀速直线运动。学生通过观察弹簧测力计示数时，发现其示数是相同的。由此得出结论滑动摩擦力的大小和小物块的接触面积没有关系。

（3）2号、4号实验盒在电动机的带动下，以不同的初速度做匀速直线运动，但在轨道上同时设置3个控制按钮，从左到右依次排开，分别为启动、停止、变速这三个按钮。只需要按下第三个按钮，两个输出端即2号、4号实验盒就会以不同的初速度匀速直线前进，这是通过改变实验步骤来实现两台电动机的输出功率不同。通过实验得出尽管速度不同，弹簧测力计的示数却相同，说明滑动摩擦力大小与物体运动速度没有关系。

（4）2号、5号实验盒 （磁铁个数相同但接触面的粗糙程度不同，5号实验盒底部放了砂纸）在电动机的带动下做匀速直线运动。通过实验可以看出，拉动底部有砂纸的5号实验盒的测力计示数大，可以判断出滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度的关系。也可以通过改变砂纸的目数改变接触面的粗糙程度。

4 教学反思

教学要以学生为主体。老师要学会引导学生，用合适的教学方法和策略促进学生核心素养的提升，研究方案的选择，数据的处理都要在学生共同参与中完成，使学生的知识是自主获得的生成的。能够对课本质疑，用质疑评价培养学生提出问题的能力，将学习推向深入，体现对学生批判思维的培养。

5 结语

通过以上的实验操作，帮助学生加深学习的记忆能掌握并灵活运用其中的物理规律。在实际教学过程中，要根据教学的实际需求，引导学生自主学习，帮助学生科学合理地设计实验思路，以保证实验真实可行。促使学生增加学习物理知识的热情。人为操作不可能保证物体做匀速直线运动。这样在实际教学中实验就会进入这样的尴尬境地：不做这个实验不利于学生理解实验原理和滑动摩擦力的影响因素，做这个实验由于物体不能匀速直线运动导致示数不稳定，不可能得出令人信服的实验数据。

在科学实验中要注意引导学生的实验思路，懂得什么是控制变量法，简单地说就是变哪个变量就观察哪个，重复此操作步骤。培养学生的科学探究能力、实验探究的思维能力。教学一般采用的是分级实验探究的方式，帮助学生全面认识摩擦力，自主明确其探究的具体任务。例如，在探究滑动摩擦力大小的影响因素的时候，让学生提出猜想后，再设计基本思路；在探讨测量摩擦力问题的时候，老师应引导学生先说出实验原理，再规范思路来探究实验积累经验，并落实本节实验需要注意的重点问题。解决实验中产生了小物块不能匀速直线运动所导致的分歧。老师进一步引导学生思考以下的问题：“滑动摩擦力与物体速度有关吗”让学生设计实验解决本节所遇到的重点问题，加上之前分析，所以解决此问题并不难。在教学进入了困境的时候，老师和学生要开发思路自主制造实验仪器。通过样的设计可以让学生在思辨中加深对物理概念的理解，自然地发挥学生学习的主观能动性[5]。