摩擦力创新实验及教学设计

《摩擦力》复旦大学第二附属学校郑晓凤一、使用教材《摩擦力》选自上海教育出版社，八年级物理第一学期第三章《运动和力》单元第五节《二力平衡》的第二课时。二、实验器材（一）情景引入：“不想分开的书”自制实验器材，材料为：两本科学书、绳子、木棍、工程梯。（二）摩擦力的方向自制实验器材：摩擦力方向演示器材料：ArduinoMega2560、点阵显示、两片正反向弯曲传感器、海绵泡沫、木板等。（三）探究影响滑动摩擦力大小的因素自制实验器材：滑动摩擦力大小演示板材料：力学传感器2个，数字显示屏、电机、学生可调稳压电源、面板、小木块、长木板、钩码、橡皮筋、电脑及DISlab8.0实验软件等。（四）写字机器人材料为：ArduinoUNO板、舵机、扩展板、杜邦线、支撑件、白板笔、海绵擦等。三、实验创新要点/改进要点（一）自制的摩擦力方向演示器材功能：演示静摩擦力、滑动摩擦力的方向，如图1、2。图1初始状态图2在长木板上由静止到下滑“摩擦力方向演示器”帮助我们从以下几个方面突破本节课的难点：（1）它将抽象的力的方向转换成具体的刷毛弯曲，结果可以实时显示，直观性强；（2）在练习过程中，学生可以根据LED显示的结果进行反思和自我评价；（3）刷毛受到摩擦力的作用发生弯曲，这与先学知识“力可以使物体发生形变”相联系，建立知识间的关联，用旧知助学新知；（4）跨学科综合素养的培养，着眼于学生未来的发展。利用单片机制作的摩擦力方向演示器，为跨学科的综合性知识的学习提供思路。本班级有许多学生已选修校内的大劳技课程“单片机DIY社团”，学生有愿望将自己在物理学习上的思考与社团所学相结合。在校内，我们也正在进行此类课题的探究：《基于Arduino单片机智能控制实现初中阶段物理实验装置的改进和创新》。（二）自制的探究影响滑动摩擦力因素演示器材功能：可以实现接触面积、速度、压力、接触面粗糙程度、重力等多种因素是否对滑动摩擦力大小产生影响，如图3、4。图3正面图4背面探究影响滑动摩擦力大小因素演示板（以下简称演示板）帮助我们从以下几个方面突破本节课的重点：（1）可以进行基础实验：探究接触面粗糙程度、压力、接触面积、速度等是否影响滑动摩擦力的大小，还可以开展拓展实验：在压力和重力不同时发生变化时，分别探究压力或者重力是否影响滑动摩擦力的大小；（2）不仅一套装置可以非常好地完成实验教学目标，而且操作简单、数据精确、显示清晰；（3）继承了传统实验探究中对影响因素压力、接触面粗糙程度、接触面积的探究方法，又通过改进和创新，实现探究速度、压力、重力是否影响滑动摩擦力的大小。整个实验装置的设计和改进，从学生的疑问出发，引发学生进行改进方案的思考，实验器材的改进思考进一步加深了学生对实验探究方法和实验过程的理解。实验改进和创新点有：（1）速度可调。除了可以实现匀速直线拉动以外，通过外接稳压电源实现3种及以上不同的速度；（2）自制DIS显示结构。此装置可以采集拉力的值，由二力平衡的知识可知：F摩擦力=F拉力，利用转换法将摩擦力的大小转换成测量拉力的大小。还可以采集小木块对接触面压力的值，直接显示在显示屏上，方便观察、记录及后面的数据处理。所以最大程度利用数字信息化服务我们的教学，让物理实验更加接近真实、可靠、科学与严谨；（3）解决了水平实验中压力和重力同时发生变化的问题。可以分别探究压力或者重力是否影响滑动摩擦力的大小。四、实验设计思路和实验原理（一）自制摩擦力方向演示器材图5传统器材图6粘上毛刷的器材图7摩擦力方向演示器实验设计思路：摩擦力方向的判断需要学生对摩擦力定义的充分理解，具备一定的思维辨析能力，及丰富的物理情景经验。由于摩擦力“看不见”的特性，学生利用传统器材来理解物体的相对运动或者是相对运动趋势非常困难，如图5。因而让摩擦力的作用效果“看得见”，为学生能感受到摩擦力的存在搭建阶梯。我们在小木块底部粘上毛刷，毛刷放大了小木块底部粗糙不平的表面，并在摩擦力的作用下发生弯曲，刷毛的弯曲说明了物体此刻有相对运动趋势或者相对运动。这样，首先让学生体会到此刻有摩擦力的存在，如图6。摩擦力将阻碍物体相对运动趋势或者相对运动，体现出刷毛有一个大致的弯曲趋势，即为物体受摩擦力的方向。但是，总有一部分同学还是无法将刷毛弯曲的方向和物体所受摩擦力的方向联到一起，并且，学生需要一种更加直观的方式来验证自己的猜想。因而，将摩擦力的方向用箭头的方式，最终显示在LED屏幕上，方便学生对照显示结果进行自我修正和评价，也为后面对物体进行受力分析和作图做好铺垫，如图7。实验原理：在物块底部安装两个双向弯曲传感器，如图8、9中蓝色长方体片，它们会和海绵刷毛一起，随着向左或向右有相对运动或相对运动趋势时发生弯曲，当单片机检测到弯曲角度时，控制LED点阵显示对应的字符。图8演示器剖面图图9演示器底部摩擦力方向演示器除了现象明显、操作简单，增强演示效果以外，还可增强与学生之间的互动。将显示屏遮住，先让学生回答，再揭晓答案，互动性强，收到了非常好的课堂效果，如图10、11为在水平方向上的效果。图10显示向右图11显示向左（二）自制探究影响滑动摩擦力大小的因素演示器材图12传统实验器材图13将电机接入稳压电源实验设计思路：提出问题1：在传统的实验中，用弹簧测力计水平拉动小木块，小木块很难做匀速直线运动，如图12。解决方案1：在学习二力的平衡时，我们使用了电机竖直向上拉动物体做匀速直线运动，探究拉力和重力的关系，所以同学自然地想到：可以使用电机来实现匀速直线运动。提出问题2：学生提出速度也有可能会影响滑动摩擦力大小。朗威公司的DIS实验器材为我们很好地实现了物体做匀速直线运动且可以进行数据采集，但是仍无法实现速度可调。解决方案2：将原来3V电池盒改为可调稳压电源，电压分别设置2V、4V、6V便可以实现3种及以上不同的速度，如图13。提出问题3：到底是重力还是压力在影响滑动摩擦力的大小呢？解决方案3：在实验过程中，如果将实验器材水平放置于桌面，在增减钩码时，物块的重力及物块对水平面的压力同时发生变化。所以，将装置竖直放置，便可以解决以上的问题，见图3、图4。实验原理：（1）水平放置时可以探究压力、接触面粗糙程度、接触面积、速度等是否对滑动摩擦力大小产生影响。（2）竖直放置时还可以在重力和压力不同时发生改变时，分别探究重力或者压力是否对滑动摩擦力大小产生影响。1)探究重力对滑动摩擦力大小的影响如图14，对小木块进行受力分析可知F摩擦=G物块+FDIS，F摩擦的大小等于的G物块、FDIS的和，所以只要关注这个和的变化即可；启动电机，拉动长木板竖直向上，记录实验数据；每次实验，增加一个钩码以改变物重，重复第一步的操作；绘制Ff-G图像，如图15。图14受力分析示意图图15Ff-G图像由表格中的数据分析可得：当只改变重力大小时，物体所受滑动摩擦力的大小几乎不变。2)探究压力对滑动摩擦力大小的影响小木块的正下方有一根橡皮筋，橡皮筋穿过面板后，绕过定滑轮挂在力学传感器2上，改变力学传感器2的位置，实现橡皮筋的伸长和缩短，从而改变小木块对长木板的压力大小，如图16。压力的大小通过显示屏实时显示，方便记录实验数据，如图17。图16背面结构及示意图图17压力显示图18Ff-FN图像实验步骤：（1）与探究重力因素相似，F摩擦=G物块+FDIS，这里我们可以将力传感器1清零，类似于电子天平清零的操作，让G物块=0，所以F摩擦=FDIS，将滑动摩擦力大小的测量转换成拉力的测量，简化数据上的处理；（2）力传感器2空置时先清零，再将橡皮筋挂在力传感器2上，这时小木块对长木板将施加垂直与长木板的压力；（3）启动电机，观察力传感器1示数的变化，记录实验数据；（4）改变力传感器2的位置，即改变压力的大小重复实验；（5）绘制Ff-FN图像，如图18。由图像可知：物体所受滑动摩擦力的大小与压力大小成正比。五、实验教学目标摩擦力在物体的运动、力的平衡以及能量转化等方面有着重要的意义。“探究影响摩擦力大小的因素”是物理课程标准中规定的探究类学生必做实验,是引导学生掌握基本科学方法、培养实验方案设计能力的重要途径，本次探究中运用的控制变量、转换的科学思想,不仅是对之前实验方法的总结,也为之后各类定性和定量的实验探究打下了基础。摩擦力方向的判断则需要学生对摩擦力定义的充分理解，具备一定的思维辨析能力，及丰富的物理情景经验。本校的学生在学习本课时，已经掌握了二力平衡的条件，会进行同一直线上力的合成，熟悉DIS数据采集系统在实验中应用，了解了正比例函数，这些都为本节课的学习打下一定的基础。因而，根据物理课程核心素养的四维目标，结合本校的学情，确定本节课的教学目标，见表1。表1：《摩擦力》教学目标物理观念感知摩擦现象的存在；了解影响滑动摩擦力大小的因素。科学思维利用类比推理、抽象与概括等科学思维方式，总结摩擦力的方向。科学探究在小组合作中完成探究活动摩擦力大小与哪些因素有关的实验，能利用控制变量的方法归纳总结滑动摩擦力与哪些因素有关；能从实际情况、可操作性等方面考虑对实验进行改进和创新。科学态度和责任通过经历科学探究过程，学生保持对自然现象的好奇心和探究热情，善于反思、勇于创新。教学重点：通过实验探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关。教学难点：摩擦力方向的判断。六、实验教学内容（一）情景导入：“不想分开的书”（二）摩擦力方向的判断（三）实验：探究影响滑动摩擦力大小的因素（四）学以致用：“写字机器人”七、实验教学过程（一）创设情景，激发兴趣，引入新课。邀请学生上台体验，两本交叉重叠的书竟可以吊起一个人，学生既感到震撼又觉得新奇。这到底是什么力平衡了竖直向下这么大的拉力呢？强烈的好奇心激发学生想要探索的欲望，如图19。图19“不想分开的书”接着用“花式推车轮”即用不同的方式推动汽车轮胎，让学生体验不同的摩擦，引出摩擦的分类。（二）摩擦力的方向教师讲解自制的“摩擦力方向演示器”的使用方法后，学生利用器材，对照学习活动卡的要求，判断摩擦力的方向。图20练习物体处于静止和运动状态时的场景例：判断物体静止时受到的摩擦力方向，如图20的第一行第二个。引导学生思考：物体受到的是静摩擦力还是滑动摩擦力？观察刷毛弯曲的方向，判断所受的摩擦力方向是怎样的？学生思考及活动过程：物体静止，相对地面有运动趋势，所以受到的摩擦力为静摩擦力；刷毛在静摩擦力的作用下发生弯曲，力的方向与刷毛弯曲的方向相同；在活动卡上作图；打开LED显示，对照显示结果进行自我修正和评价。（三）探究影响滑动摩擦力大小的因素总体思路：要充分发挥“探究影响摩擦力大小的因素”一课的重要育人价值，促进学生科学探究能力的发展、创新精神的初步构建、核心素养的培养，最好的途径就是将课堂还给学生。学生观察实例进行猜想，设计实验方案，探究滑动摩擦力大小影响因素，组间交流讨论，反思并优化实验方案等。我为学生提供活动卡，资料及他所希望获得的改进器材。流程图如图21。图21“探究影响滑动摩擦力大小的因素”课堂活动流程图开始时，教师为学生提供的材料为：橡胶手套和垫板等，学生自由探究可能的影响因素后，交流猜想的结果。接着学生利用教师提供的实验器材，对照学习活动卡，验证猜想，利用转换法、控制变量法开展实验。由于课堂时间有限，每组可选择一种影响因素进行探究，完成后再进行组间的数据汇总和数据分析。接下来开展小组交流和讨论、实验的改进和创新，教师为学生的改进方案提供方法和材料上的支持。最后是进行规律总结和课堂评价。（四）以“怎样擦的更干净”为主题布置课后分层实践作业，如图22、图23：分层作业1：如何将黑板擦的非常干净，需要用到哪些物理知识？分层作业2：单片机制作系列——写字机器人在完成擦写时你设计了哪些关键步骤？图22擦黑板图23写字机器人其中分层作业2的设计理由是：学生在学习完本节课的知识后，再去设计写字机器人进行有效书写和擦写的动作时，自然会考虑到怎样利用所学物理知识让自己的设计变得更好。因为理解了滑动摩擦力的大小受压力和接触面粗糙程度的影响，他们可能会想到，需要调整舵机的旋转角度，以达到白板笔下压的程度，即增大或者减小压力来改变摩擦，从而让海绵将字擦得更干净；他们可能还需要考虑海绵或者面板的材料，因为接触面的粗糙程度也会影响摩擦力的大小，直接决定是否能擦的更干净。这种跨学科综合性知识学习的过程，对于学生来说是有趣的，也是提升学生创造性思维和解决实际问题的能力的重要途径。八、实验效果评价本节课是基于物理学科核心素养为导向的实验课，渗透科学的思维方法，培养实践创新精神。两个自制实验器材，充分展示了跨学科综合、信息技术与物理实验的结合。（1）“摩擦力方向演示器”的制作思路来源于学生社团所学，跨学科综合知识的学习和应用为学生的综合素养的提升提供支撑。（2）“摩擦力大小演示板”的改进和创新，从学生的疑问出发，让学生参与实