摩擦力創(chuàng)新實驗及教學(xué)設(shè)計

《摩擦力》復(fù)旦大學(xué)第二附屬學(xué)校鄭曉鳳一、使用教材《摩擦力》選自上海教育出版社，八年級物理第一學(xué)期第三章《運動和力》單元第五節(jié)《二力平衡》的第二課時。二、實驗器材（一）情景引入：“不想分開的書”自制實驗器材，材料為：兩本科學(xué)書、繩子、木棍、工程梯。（二）摩擦力的方向自制實驗器材：摩擦力方向演示器材料：ArduinoMega2560、點陣顯示、兩片正反向彎曲傳感器、海綿泡沫、木板等。（三）探究影響滑動摩擦力大小的因素自制實驗器材：滑動摩擦力大小演示板材料：力學(xué)傳感器2個，數(shù)字顯示屏、電機、學(xué)生可調(diào)穩(wěn)壓電源、面板、小木塊、長木板、鉤碼、橡皮筋、電腦及DISlab8.0實驗軟件等。（四）寫字機器人材料為：ArduinoUNO板、舵機、擴展板、杜邦線、支撐件、白板筆、海綿擦等。三、實驗創(chuàng)新要點/改進要點（一）自制的摩擦力方向演示器材功能：演示靜摩擦力、滑動摩擦力的方向，如圖1、2。圖1初始狀態(tài)圖2在長木板上由靜止到下滑“摩擦力方向演示器”幫助我們從以下幾個方面突破本節(jié)課的難點：（1）它將抽象的力的方向轉(zhuǎn)換成具體的刷毛彎曲，結(jié)果可以實時顯示，直觀性強；（2）在練習(xí)過程中，學(xué)生可以根據(jù)LED顯示的結(jié)果進行反思和自我評價；（3）刷毛受到摩擦力的作用發(fā)生彎曲，這與先學(xué)知識“力可以使物體發(fā)生形變”相聯(lián)系，建立知識間的關(guān)聯(lián)，用舊知助學(xué)新知；（4）跨學(xué)科綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)，著眼于學(xué)生未來的發(fā)展。利用單片機制作的摩擦力方向演示器，為跨學(xué)科的綜合性知識的學(xué)習(xí)提供思路。本班級有許多學(xué)生已選修校內(nèi)的大勞技課程“單片機DIY社團”，學(xué)生有愿望將自己在物理學(xué)習(xí)上的思考與社團所學(xué)相結(jié)合。在校內(nèi)，我們也正在進行此類課題的探究：《基于Arduino單片機智能控制實現(xiàn)初中階段物理實驗裝置的改進和創(chuàng)新》。（二）自制的探究影響滑動摩擦力因素演示器材功能：可以實現(xiàn)接觸面積、速度、壓力、接觸面粗糙程度、重力等多種因素是否對滑動摩擦力大小產(chǎn)生影響，如圖3、4。圖3正面圖4背面探究影響滑動摩擦力大小因素演示板（以下簡稱演示板）幫助我們從以下幾個方面突破本節(jié)課的重點：（1）可以進行基礎(chǔ)實驗：探究接觸面粗糙程度、壓力、接觸面積、速度等是否影響滑動摩擦力的大小，還可以開展拓展實驗：在壓力和重力不同時發(fā)生變化時，分別探究壓力或者重力是否影響滑動摩擦力的大小；（2）不僅一套裝置可以非常好地完成實驗教學(xué)目標(biāo)，而且操作簡單、數(shù)據(jù)精確、顯示清晰；（3）繼承了傳統(tǒng)實驗探究中對影響因素壓力、接觸面粗糙程度、接觸面積的探究方法，又通過改進和創(chuàng)新，實現(xiàn)探究速度、壓力、重力是否影響滑動摩擦力的大小。整個實驗裝置的設(shè)計和改進，從學(xué)生的疑問出發(fā)，引發(fā)學(xué)生進行改進方案的思考，實驗器材的改進思考進一步加深了學(xué)生對實驗探究方法和實驗過程的理解。實驗改進和創(chuàng)新點有：（1）速度可調(diào)。除了可以實現(xiàn)勻速直線拉動以外，通過外接穩(wěn)壓電源實現(xiàn)3種及以上不同的速度；（2）自制DIS顯示結(jié)構(gòu)。此裝置可以采集拉力的值，由二力平衡的知識可知：F摩擦力=F拉力，利用轉(zhuǎn)換法將摩擦力的大小轉(zhuǎn)換成測量拉力的大小。還可以采集小木塊對接觸面壓力的值，直接顯示在顯示屏上，方便觀察、記錄及后面的數(shù)據(jù)處理。所以最大程度利用數(shù)字信息化服務(wù)我們的教學(xué)，讓物理實驗更加接近真實、可靠、科學(xué)與嚴(yán)謹(jǐn)；（3）解決了水平實驗中壓力和重力同時發(fā)生變化的問題?？梢苑謩e探究壓力或者重力是否影響滑動摩擦力的大小。四、實驗設(shè)計思路和實驗原理（一）自制摩擦力方向演示器材圖5傳統(tǒng)器材圖6粘上毛刷的器材圖7摩擦力方向演示器實驗設(shè)計思路：摩擦力方向的判斷需要學(xué)生對摩擦力定義的充分理解，具備一定的思維辨析能力，及豐富的物理情景經(jīng)驗。由于摩擦力“看不見”的特性，學(xué)生利用傳統(tǒng)器材來理解物體的相對運動或者是相對運動趨勢非常困難，如圖5。因而讓摩擦力的作用效果“看得見”，為學(xué)生能感受到摩擦力的存在搭建階梯。我們在小木塊底部粘上毛刷，毛刷放大了小木塊底部粗糙不平的表面，并在摩擦力的作用下發(fā)生彎曲，刷毛的彎曲說明了物體此刻有相對運動趨勢或者相對運動。這樣，首先讓學(xué)生體會到此刻有摩擦力的存在，如圖6。摩擦力將阻礙物體相對運動趨勢或者相對運動，體現(xiàn)出刷毛有一個大致的彎曲趨勢，即為物體受摩擦力的方向。但是，總有一部分同學(xué)還是無法將刷毛彎曲的方向和物體所受摩擦力的方向聯(lián)到一起，并且，學(xué)生需要一種更加直觀的方式來驗證自己的猜想。因而，將摩擦力的方向用箭頭的方式，最終顯示在LED屏幕上，方便學(xué)生對照顯示結(jié)果進行自我修正和評價，也為后面對物體進行受力分析和作圖做好鋪墊，如圖7。實驗原理：在物塊底部安裝兩個雙向彎曲傳感器，如圖8、9中藍色長方體片，它們會和海綿刷毛一起，隨著向左或向右有相對運動或相對運動趨勢時發(fā)生彎曲，當(dāng)單片機檢測到彎曲角度時，控制LED點陣顯示對應(yīng)的字符。圖8演示器剖面圖圖9演示器底部摩擦力方向演示器除了現(xiàn)象明顯、操作簡單，增強演示效果以外，還可增強與學(xué)生之間的互動。將顯示屏遮住，先讓學(xué)生回答，再揭曉答案，互動性強，收到了非常好的課堂效果，如圖10、11為在水平方向上的效果。圖10顯示向右圖11顯示向左（二）自制探究影響滑動摩擦力大小的因素演示器材圖12傳統(tǒng)實驗器材圖13將電機接入穩(wěn)壓電源實驗設(shè)計思路：提出問題1：在傳統(tǒng)的實驗中，用彈簧測力計水平拉動小木塊，小木塊很難做勻速直線運動，如圖12。解決方案1：在學(xué)習(xí)二力的平衡時，我們使用了電機豎直向上拉動物體做勻速直線運動，探究拉力和重力的關(guān)系，所以同學(xué)自然地想到：可以使用電機來實現(xiàn)勻速直線運動。提出問題2：學(xué)生提出速度也有可能會影響滑動摩擦力大小。朗威公司的DIS實驗器材為我們很好地實現(xiàn)了物體做勻速直線運動且可以進行數(shù)據(jù)采集，但是仍無法實現(xiàn)速度可調(diào)。解決方案2：將原來3V電池盒改為可調(diào)穩(wěn)壓電源，電壓分別設(shè)置2V、4V、6V便可以實現(xiàn)3種及以上不同的速度，如圖13。提出問題3：到底是重力還是壓力在影響滑動摩擦力的大小呢？解決方案3：在實驗過程中，如果將實驗器材水平放置于桌面，在增減鉤碼時，物塊的重力及物塊對水平面的壓力同時發(fā)生變化。所以，將裝置豎直放置，便可以解決以上的問題，見圖3、圖4。實驗原理：（1）水平放置時可以探究壓力、接觸面粗糙程度、接觸面積、速度等是否對滑動摩擦力大小產(chǎn)生影響。（2）豎直放置時還可以在重力和壓力不同時發(fā)生改變時，分別探究重力或者壓力是否對滑動摩擦力大小產(chǎn)生影響。1)探究重力對滑動摩擦力大小的影響如圖14，對小木塊進行受力分析可知F摩擦=G物塊+FDIS，F(xiàn)摩擦的大小等于的G物塊、FDIS的和，所以只要關(guān)注這個和的變化即可；啟動電機，拉動長木板豎直向上，記錄實驗數(shù)據(jù)；每次實驗，增加一個鉤碼以改變物重，重復(fù)第一步的操作；繪制Ff-G圖像，如圖15。圖14受力分析示意圖圖15Ff-G圖像由表格中的數(shù)據(jù)分析可得：當(dāng)只改變重力大小時，物體所受滑動摩擦力的大小幾乎不變。2)探究壓力對滑動摩擦力大小的影響小木塊的正下方有一根橡皮筋，橡皮筋穿過面板后，繞過定滑輪掛在力學(xué)傳感器2上，改變力學(xué)傳感器2的位置，實現(xiàn)橡皮筋的伸長和縮短，從而改變小木塊對長木板的壓力大小，如圖16。壓力的大小通過顯示屏實時顯示，方便記錄實驗數(shù)據(jù)，如圖17。圖16背面結(jié)構(gòu)及示意圖圖17壓力顯示圖18Ff-FN圖像實驗步驟：（1）與探究重力因素相似，F(xiàn)摩擦=G物塊+FDIS，這里我們可以將力傳感器1清零，類似于電子天平清零的操作，讓G物塊=0，所以F摩擦=FDIS，將滑動摩擦力大小的測量轉(zhuǎn)換成拉力的測量，簡化數(shù)據(jù)上的處理；（2）力傳感器2空置時先清零，再將橡皮筋掛在力傳感器2上，這時小木塊對長木板將施加垂直與長木板的壓力；（3）啟動電機，觀察力傳感器1示數(shù)的變化，記錄實驗數(shù)據(jù)；（4）改變力傳感器2的位置，即改變壓力的大小重復(fù)實驗；（5）繪制Ff-FN圖像，如圖18。由圖像可知：物體所受滑動摩擦力的大小與壓力大小成正比。五、實驗教學(xué)目標(biāo)摩擦力在物體的運動、力的平衡以及能量轉(zhuǎn)化等方面有著重要的意義?！疤骄坑绊懩Σ亮Υ笮〉囊蛩亍笔俏锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的探究類學(xué)生必做實驗,是引導(dǎo)學(xué)生掌握基本科學(xué)方法、培養(yǎng)實驗方案設(shè)計能力的重要途徑，本次探究中運用的控制變量、轉(zhuǎn)換的科學(xué)思想,不僅是對之前實驗方法的總結(jié),也為之后各類定性和定量的實驗探究打下了基礎(chǔ)。摩擦力方向的判斷則需要學(xué)生對摩擦力定義的充分理解，具備一定的思維辨析能力，及豐富的物理情景經(jīng)驗。本校的學(xué)生在學(xué)習(xí)本課時，已經(jīng)掌握了二力平衡的條件，會進行同一直線上力的合成，熟悉DIS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實驗中應(yīng)用，了解了正比例函數(shù)，這些都為本節(jié)課的學(xué)習(xí)打下一定的基礎(chǔ)。因而，根據(jù)物理課程核心素養(yǎng)的四維目標(biāo)，結(jié)合本校的學(xué)情，確定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)，見表1。表1：《摩擦力》教學(xué)目標(biāo)物理觀念感知摩擦現(xiàn)象的存在；了解影響滑動摩擦力大小的因素?？茖W(xué)思維利用類比推理、抽象與概括等科學(xué)思維方式，總結(jié)摩擦力的方向。科學(xué)探究在小組合作中完成探究活動摩擦力大小與哪些因素有關(guān)的實驗，能利用控制變量的方法歸納總結(jié)滑動摩擦力與哪些因素有關(guān)；能從實際情況、可操作性等方面考慮對實驗進行改進和創(chuàng)新。科學(xué)態(tài)度和責(zé)任通過經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)生保持對自然現(xiàn)象的好奇心和探究熱情，善于反思、勇于創(chuàng)新。教學(xué)重點：通過實驗探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關(guān)。教學(xué)難點：摩擦力方向的判斷。六、實驗教學(xué)內(nèi)容（一）情景導(dǎo)入：“不想分開的書”（二）摩擦力方向的判斷（三）實驗：探究影響滑動摩擦力大小的因素（四）學(xué)以致用：“寫字機器人”七、實驗教學(xué)過程（一）創(chuàng)設(shè)情景，激發(fā)興趣，引入新課。邀請學(xué)生上臺體驗，兩本交叉重疊的書竟可以吊起一個人，學(xué)生既感到震撼又覺得新奇。這到底是什么力平衡了豎直向下這么大的拉力呢？強烈的好奇心激發(fā)學(xué)生想要探索的欲望，如圖19。圖19“不想分開的書”接著用“花式推車輪”即用不同的方式推動汽車輪胎，讓學(xué)生體驗不同的摩擦，引出摩擦的分類。（二）摩擦力的方向教師講解自制的“摩擦力方向演示器”的使用方法后，學(xué)生利用器材，對照學(xué)習(xí)活動卡的要求，判斷摩擦力的方向。圖20練習(xí)物體處于靜止和運動狀態(tài)時的場景例：判斷物體靜止時受到的摩擦力方向，如圖20的第一行第二個。引導(dǎo)學(xué)生思考：物體受到的是靜摩擦力還是滑動摩擦力？觀察刷毛彎曲的方向，判斷所受的摩擦力方向是怎樣的？學(xué)生思考及活動過程：物體靜止，相對地面有運動趨勢，所以受到的摩擦力為靜摩擦力；刷毛在靜摩擦力的作用下發(fā)生彎曲，力的方向與刷毛彎曲的方向相同；在活動卡上作圖；打開LED顯示，對照顯示結(jié)果進行自我修正和評價。（三）探究影響滑動摩擦力大小的因素總體思路：要充分發(fā)揮“探究影響摩擦力大小的因素”一課的重要育人價值，促進學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展、創(chuàng)新精神的初步構(gòu)建、核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，最好的途徑就是將課堂還給學(xué)生。學(xué)生觀察實例進行猜想，設(shè)計實驗方案，探究滑動摩擦力大小影響因素，組間交流討論，反思并優(yōu)化實驗方案等。我為學(xué)生提供活動卡，資料及他所希望獲得的改進器材。流程圖如圖21。圖21“探究影響滑動摩擦力大小的因素”課堂活動流程圖開始時，教師為學(xué)生提供的材料為：橡膠手套和墊板等，學(xué)生自由探究可能的影響因素后，交流猜想的結(jié)果。接著學(xué)生利用教師提供的實驗器材，對照學(xué)習(xí)活動卡，驗證猜想，利用轉(zhuǎn)換法、控制變量法開展實驗。由于課堂時間有限，每組可選擇一種影響因素進行探究，完成后再進行組間的數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)分析。接下來開展小組交流和討論、實驗的改進和創(chuàng)新，教師為學(xué)生的改進方案提供方法和材料上的支持。最后是進行規(guī)律總結(jié)和課堂評價。（四）以“怎樣擦的更干凈”為主題布置課后分層實踐作業(yè)，如圖22、圖23：分層作業(yè)1：如何將黑板擦的非常干凈，需要用到哪些物理知識？分層作業(yè)2：單片機制作系列——寫字機器人在完成擦寫時你設(shè)計了哪些關(guān)鍵步驟？圖22擦黑板圖23寫字機器人其中分層作業(yè)2的設(shè)計理由是：學(xué)生在學(xué)習(xí)完本節(jié)課的知識后，再去設(shè)計寫字機器人進行有效書寫和擦寫的動作時，自然會考慮到怎樣利用所學(xué)物理知識讓自己的設(shè)計變得更好。因為理解了滑動摩擦力的大小受壓力和接觸面粗糙程度的影響，他們可能會想到，需要調(diào)整舵機的旋轉(zhuǎn)角度，以達到白板筆下壓的程度，即增大或者減小壓力來改變摩擦，從而讓海綿將字擦得更干凈；他們可能還需要考慮海綿或者面板的材料，因為接觸面的粗糙程度也會影響摩擦力的大小，直接決定是否能擦的更干凈。這種跨學(xué)科綜合性知識學(xué)習(xí)的過程，對于學(xué)生來說是有趣的，也是提升學(xué)生創(chuàng)造性思維和解決實際問題的能力的重要途徑。八、實驗效果評價本節(jié)課是基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的實驗課，滲透科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新精神。兩個自制實驗器材，充分展示了跨學(xué)科綜合、信息技術(shù)與物理實驗的結(jié)合。（1）“摩擦力方向演示器”的制作思路來源于學(xué)生社團所學(xué)，跨學(xué)科綜合知識的學(xué)習(xí)和應(yīng)用為學(xué)生的綜合素養(yǎng)的提升提供支撐。（2）“摩擦力大小演示板”的改進和創(chuàng)新，從學(xué)生的疑問出發(fā)，讓學(xué)生參與實