基于PASCO二维力平台的中学物理拓展性实验设计——以“摩擦力”为例

黄 颖 李基正 叶泽波 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

判断摩擦力的大小和方向是中学力学的难点，许多有关摩擦力的问题与生活实际密切联系，且多为动态场景，需要学生充分展开想象才能了解其运动过程.而传统实验中仅用弹簧测力计与木块等实验器材无法实时展示摩擦力的方向与大小，且与真实的生活情景脱节，造成学生无法客观有效地对生活中常见的现象进行分析[1].进行课外拓展实验可有效帮助学生克服以上难点.基于上述问题，本研究将利用PASCO系统设计课外拓展实验，帮助学生对生活中跳远、骑车时摩擦力的方向和大小进行拓展研究.不仅可以补充教材中的实验，还可以让学生亲身体会物理与生活息息相关，培养学生的科学探究能力.

1 PASCO系统简介

PASCO系统是采用传感器和数据采集器接口，通过PASCO Capstone操作平台进行控制和数据采集的物理实验系统.利用Xplorer GLX数据采集器进行户内外实验，同时在采集器的显示屏或电脑中对一个甚至是多个物理量进行实时观测和研究[2,3].PASCO二维力平台是该系统的一种传感器，能够同时测量物体竖直方向与前后方向的受力情况，实时记录整个运动过程中力的大小与方向变化.灵敏度高，操作性强，便于学生自行进行实验探究.

2 实验原理分析

2.1 立定跳远

学生立定跳远时借助蹬地时的摩擦力获得较大的加速度跃出[4].其在起跳时，竖直方向上受到重力和支持力，水平方向上受到摩擦力，受力分析如图1所示.跳出不同的水平距离时，被测量人在竖直方向和水平方向的受力情况，探究跳远距离与受力大小与方向的关系.

图1 立定跳远起跳时的受力分析

2.2 自行车前进

当推车前进时，前、后轮与地面接触点相对地面向前运动，因而车轮均受到向后的摩擦力，阻碍其前进，摩擦力的分析如图2所示.

图2 推车前进时前后轮所受摩擦力

当骑车前进时，脚踏板带动后轮转动，后轮与地面接触点相对地面有向后运动的趋势，受到向前的摩擦力，驱动自行车前进；由于自行车两轮之间距离不变，则此时前轮与地面接触点相对地面有向前运动的趋势，受到向后的摩擦力，作为阻力阻碍自行车前进，摩擦力的分析如图3所示[5,6].

图3 骑车前进时前后轮所受摩擦力

3 实验操作过程

3.1 探究立定跳远距离与受力情况的关系

(1)将二维力平台放置在地面上，并与GLX数据采集器、电脑进行连接，实验装置如图4所示.

图4 “探究跳远距离与受力情况的关系”实验装置

(2)打开PASCO Capstone，新建两个图，将图5(a)的纵坐标标签设置为“法向力”，图5(b)的纵坐标标签设置为“平行力”，规定跳跃方向为正方向.

(3)根据运动的快慢设置合适的采样频率，对二维力平台调零.

(4)实验者站在二维力平台上，点击“记录”按钮，向前跳大约0.4 m；点击“停止”，此时平台已经记录了此次的实验数据，标记数据峰值，如图5所示，重复测量5次.

(5)依次改变跳远距离为0.8 m，1.2 m，1.6 m和2.0 m，重复步骤(2)、(3)、(4)，保存实验数据.

(6)对数据进行处理和分析.

图5 跳远距离为0.4 m时人的受力情况

3.2 探究自行车前进过程中前后轮的受力情况

(1)将二维力平台放置于水平地面上，并与数据采集器、电脑依次连接，用木板搭建好与平台等高的通道，如图6所示.

图6 “探究自行车前进过程中前后轮的受力情况”实验装置

(2)打开PASCO Capstone软件，新建图表，将纵坐标标签设置为“水平力”，取自行车前进方向为正方向.

(3)根据运动的快慢设置合适的采样频率，对二维力平台调零.

(4)点击“记录”，推车匀速通过二维力平台，点击“停止”，记录下推车通过时前后轮受到的摩擦力情况，保存实验数据.

(5)重复步骤(2)、(3)，再次点击“记录”，骑车通过二维力平台后点击“停止”，则平台记录下骑车通过时前后轮受到的摩擦力，保存实验数据.

(6)对数据进行处理和分析.

4 实验数据的处理与分析

4.1 跳远距离与受力情况的关系

记录不同的跳远距离对应的平行力(即摩擦力f)的峰值，实验数据如表1所示.

表1 不同跳远距离对应的摩擦力f的峰值

记录不同的跳远距离对应的法向力(即支持力FN)的峰值，实验数据如表2所示.求出每个距离对应的力的平均值，分别记录在表格中.

表2 不同跳远距离对应的支持力FN的峰值

根据表1和表2数据，利用Excel做出跳远距离与f和FN的平均值的关系图线如图7和图8所示.

图7 跳远的距离与摩擦力峰值的关系

图8 跳远的距离与支持力峰值的关系

从图7和图8可以直观看到：人所受到的摩擦力随着跳远距离的增加逐渐递增，且摩擦力f的方向都为正方向；而随着跳远距离的增加，人在竖直方向受到的支持力FN并无明显变化.由此可知，立定跳远的距离与水平方向上的摩擦力有关，且呈正相关，与竖直方向上的支持力无明显关系.

4.2 自行车前进过程中前后轮的受力情况

自行车推行通过二维力平台后得到的结果如图9所示.从图9中可知车在推行过程中前后轮所受摩擦力方向均向后，此时摩擦力均为阻力.由于人在推行过程中手对车把施加了压力，导致前轮所受摩擦力略大于后轮所受摩擦力.

图9 自行车推行过程中前后轮所受摩擦力

如图10所示，自行车沿直线骑行通过二维力平台得到的实验结果.

图10 自行车骑行过程中前后轮所受摩擦力

从图中可明显观察到骑行过程中前后轮所受摩擦力方向相反，前轮所受摩擦力为阻力，后轮所受摩擦力为动力，且动力大于阻力，进而驱动自行车向前运动.

5 总结

跳远和骑自行车等体育运动是中学生生活中不可或缺的一部分，也蕴含了深刻的物理规律.通过课外拓展实验，学生将知识与实际生活联系起来，为他们学习更为复杂的摩擦力奠定基础；加深了学生对受力分析的理解，在实验过程中还提高了实践创新能力.另外，利用PASCO实验系统的实验方法相较于传统的实验室实验更为方便直观，可直接用于户外实验，有利于学生进行课外探究，提高学生科学探究的能力与兴趣，拓展课内知识，高效快捷.