用可编程数字化测力计改进小学科学摩擦力实验

广东省深圳市龙岗区宝龙学校 陈飞虎

新课标对小学阶段的科学课程设置了13个核心概念，其中，“物质的运动与相互作用”部分要求学生通过设计探究实验，观察常见的摩擦力，了解摩擦力的大小对运动的影响。摩擦力是日常生活中常见的力，但它不仅抽象，而且是“被动力”，所以，对于学生来说，难以理解。因此，在“摩擦力”的学习过程中，教师可以通过创设情境，开展关于摩擦力的实验探究，从而引导学生更好地理解。各个版本的教材大致设计了“探究影响滑动摩擦力大小的因素”和“探究不同种类摩擦力的大小”两个实验活动，存在操作难度大、步骤烦琐、读数不准等问题。本文利用数字化测力计改进这两个实验，较好地解决了以上问题。

一、已有实验方案及不足

青岛版教材中，设计了“探究影响滑动摩擦力大小的因素”的实验活动。关于“探究影响滑动摩擦力大小的因素”的实验，许多教育工作者对此都有研究。教材中，本实验采用控制变量法和转换法相结合的方法进行探究：用手匀速拉弹簧测力计，让物体在不同粗糙程度的平面上运动，探究滑动摩擦力与接触面粗糙程度的关系；增加物体的质量再次拉动物体，探究滑动摩擦力与物体质量的关系。它的优点在于：原理简单，容易理解；材料简单，较好开展。缺点在于：很难用手匀速拉动弹簧测力计，在弹簧测力计被拉动的过程中进行读数难度较大。

教科版教材中，设计了“探究不同种类摩擦力的大小”的实验活动。关于“探究不同种类摩擦力的大小”的实验，教材中，本实验采用控制变量法和等效替代法相结合的方法进行探究：将一个放了重物的纸盒作为研究对象，将它放在木板上，通过垫圈拉动它在粗糙的平面上运动；分别完成“直接滑动”，在纸盒下放笔或筷子等作“滚木”、在纸盒下安装轮子三种搬运方式，探究三种不同的摩擦力；用拉动物体所需要的垫圈数量来等效替代拉动物体的力，从而比较不同三种情况摩擦力的大小。优点在于：容易实现，不需要匀速拖动弹簧测力计；读数简单，只需要记录垫片数量。缺点在于：原理较难理解，学生需要将垫圈数量与拉动纸盒的力之间建立联系，增加了思维负担；操作难度增加，增加定滑轮、小托盘、垫圈等器材，学生需要同时操作纸盒，增减垫圈。

实际教学中，教师对以上实验进行了改进。部分教育工作者利用数字测力计代替以上实验的测力工具，实时显示拉力的具体大小，读数难度有所降低，但依然无法完美解决人手非匀速拉动所导致的读数持续变化的问题。也有使用DIS实验系统的方案，其中，力传感器连接电脑能对读取力的大小变化进行数据处理，较好地得出匀速运动的拉力，但对于小学生来说要求相对较高。

二、可编程数字化测力计的开发及有效性校验

本文使用力的传感器、采集卡、单片机、显示屏等开源硬件，结合3D打印技术制作可编程数字化测力计代替以上实验的测力工具，对“探究影响滑动摩擦力大小的因素”和“探究不同种类摩擦力的大小”这两个小学摩擦力的实验装置进行了改进。

力传感器将拉力的大小转化为对应模拟信号，通过采集卡将模拟信号转化为数字信号，单片机读取信号后先判断拉动过程是否满足匀速运动的条件，若不满足则在屏幕显示报错，要求重做实验，若满足则截取匀速运动过程的拉力信号进行处理后将结果显示在屏幕上。

为验证此测力计结果的可靠性，教学中开展了如下实验：

实验器材：可编程数字化测力计、木块、细绳、钩码。

实验装置：如图1所示。

图1

实验过程：（1）木块直接放在水平木板上，细绳一端系着木块，另一端系在测力计上，匀速拉测力计，让木块在水平木板上运动，读取测力计示数；（2）连接电脑读取采集卡的所有读数；（3）在木块上放钩码，重复步骤（1）（2），获得多组数据；（4）绘制拉力变化图，如图2所示。

图2

实验结果：实验1～4中，从不同的采样时间开始用力拉物体，拉力增加（此时物体静止），达到某一峰值后（超过最大静摩擦，物体开始运动）拉力稍稍降低保持在某一较平缓的范围（物体做匀速直线运动），持续一段时间之后拉力剧降为0（物体停止运动）。测力计能截取匀速直线运动区域数据，计算出此时拉力，根据二力平衡条件，此时拉力等于物体受到的摩擦力。实验5、6中，拉力变化不满足匀速直线运动，测力计反馈“未匀速”结果。

实验结论：使用该数字测力计能判断物体是否做水平匀速直线运动，较准确地反馈匀速直线运动时的拉力大小，是对传统测力仪器的优化，不仅操作简单，而且测量结果直接准确，可以解决以上两个摩擦力实验中的问题。

三、用可编程数字化测力计探究影响滑动摩擦力大小的因素

实验器材：可编程数字化测力计、木块、细绳、钩码、木板、毛巾。实验装置：如图3所示。

图3

实验过程：（1）木块直接放在水平木板上，细绳一端系着木块，另一端系在测力计上，匀速拉测力计，让木块在水平木板上运动，读取测力计示数；（2）在步骤（1）的条件下，在木块与木板之间加一条毛巾，匀速拉动木块，读取测力计示数；（3）在步骤（1）的条件下，在木块上加4个50g钩码，匀速拉测力计，让木块在水平木板上运动，读取测力计示数。

实验结果：见表1所列。

表1 探究影响滑动摩擦力大小的因素

实验结论：滑动摩擦力的大小与接触面粗糙程度、物体的质量有关。物体的质量相同，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大；接触面粗糙程度相同，质量越大，滑动摩擦力越大。

四、用可编程数字化测力计探究不同种类摩擦力的大小实验改进

实验器材：可编程数字化测力计、可拆卸轮子的小车、细绳、钩码、铅笔。

实验装置：如图4所示。

图4

实验过程：（1）小车卸下轮子装上800g钩码，放在水平桌面上，细绳一端系着小车，另一端系在测力计上，匀速拉测力计，让小车在水平木板上运动，读取测力计示数；（2）在步骤（1）的条件下，在小车下加圆铅笔作为“滚木”，匀速拉测力计，让小车在水平木板上运动，读取测力计示数；（3）在步骤（1）的条件下，将轮子装回小车，匀速拉测力计，让小车在水平木板上运动，读取测力计示数。

实验结果：见表2所列。

表2 探究不同种类摩擦力的大小

实验结论：用不同的方式搬运重物，摩擦力的大小不同。物体质量相同，直接滑动物体、使用“滚木”、使用轮子这三种情况下摩擦力依次减小。

五、实验装置的优点

改进后，实验装置有以下优点：（1）装置简单，直接拉动可编程数字化测力计直接测量，实验过程明了；（2）操作简单，相较于弹簧测力计，学生更容易实现匀速拉动，拉动结束后直接读取显示屏读数；（3）科学可靠，可编程数字化测力计读数精准，能通过程序对匀速运动进行不同等级的判定，结果可靠；（4）经济且可拓展，本测力计成本约为市场常见数字化测力计的一半以内，功能可根据使用者需求进行个性化设计，可拓展性强。

可编程数字化测力计的使用，有利于学生开展关于摩擦力的探究学习，掌握控制变量法，培养科技创新的兴趣，落实了新课标关于科学课程培养科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个核心素养的要求。