沪科版教材关于“滑动摩擦力与哪些因素有关”的实验改进

黄启刚

摘   要：沪科版教材“科学探究：摩擦力”中探究影响滑动摩擦力与哪些因素有关的实验，文字表述和实验装置存在一些不足，会影响实验操作和实验效果。本文探讨对实验的改进，提高了实验的可操作性、科学性和可靠性。

关键词：教材;实验;改进;滑动摩擦力

1  教材实验回顾

“探究影响滑动摩擦力与哪些因素有关”是初中物理课标要求的基本实验之一[ 1 ]，是初中物理力学中一个非常重要的探究实验。学生要用转换法和控制变量法间接测量滑动摩擦力的大小，本实验对培养学生科学素养有良好的导向作用。沪科版八年级物理教材第六章“科学探究：摩擦力”是用图1[ 2 ]所示的器材和步骤来进行实验探究。实验不仅要考查学生使用弹簧测力计测量拉力的操作，还要考查学生对转换法和控制变量法的应用，对学生的科学思维和科学探究等核心素养要求比较高。通过对本实验有效教学，能让学生突破对摩擦力概念的认识，提高学生的操作技能，培养学生良好的科学素养。

2  教材存在的不足

教材中的实验在文字表述中存在一些不够科学、不够严谨的地方，实验装置也存在一些不足，会影响实验操作和实验效果。

2.1  文字表述不严谨

教材中进行实验与收集证据环节提到“滑动摩擦力与哪些因素有关”，这里的“滑动摩擦力”是滑动摩擦力的方向还是大小还是作用点？表述指向不清，不够规范。应该表述为“滑动摩擦力的大小与哪些因素有关”。

2.2  编排逻辑欠科学

本实验是用转换法间接测量摩擦力，要用到“二力平衡条件”知识。但“二力平衡条件”知识被安排在了第七章第三节“力的平衡”中，显然这种超前安排是不太合理的。对此不足，教材在“加油站”作了些说明，简要描述了实验的基本原理。但测量摩擦力的实验原理没有二力平衡条件作铺垫，只作一句简要说明，学生依然容易产生疑惑。这种编排逻辑不尽科学，最好把“科学探究摩擦力”安排在第七章“力的平衡”之后再学习，学生理解了二力平衡的條件，要知道滑动摩擦力的测量原理就水到渠成了，这样安排更符合学生的认知特点。

2.3  实验装置有缺陷

沪科版教材按如图2实验装置和方法，把看不见的摩擦力转换为弹簧测力计的拉力，可直接在测力计上读出摩擦力的大小。教材提供的实验装置看似简单易行，实则不便于操作：因为这个探究实验成功与否，取决于实验测量的方法是否合理，测量结果是否可靠。本实验要保证木块在长木板上匀速直线滑动，同时还要准确读数，但用手直接拉动弹簧测力计很难保证木块始终做匀速直线运动，其次测力计一直在运动中，较难精确读数[ 3 ]。

3  实验改进方案

沪科版教材在实验装置存在一些不足，影响到了实验操作和实验效果，使可操作性和可靠性打了折扣。为了克服上述不足，笔者在长期的实验教学中，不断探索，对此实验装置先后作了如下改进。

3.1  实验装置改进方案一

如图3，把木块置于长木板上方，实验时固定弹簧测力计的拉环，让弹簧测力计的拉钩拉着木块在水平方向保持静止，再水平向右拉动长木板，此时木块的滑动摩擦力大小可间接在弹簧测力计上读出来。

优点分析：弹簧测力计保持静止状态，示数稳定，可准确读数。拉动长木板，可使木块与长木板之间发生相对滑动，效果等同于木块在长木板上方滑动。木块同时受到弹簧测力计的拉力和长木板对它的摩擦力而保持静止，由二力平衡条件可知：测力计示数等于木块受到的摩擦力。因滑动摩擦力与物体运动速度无关，拉动长木板滑动时可以是变速运动，也可以是匀速直线运动[ 4 ]。因而操作简单易行，实验效果明显改善。

3.2  实验装置改进方案二

如图4，在弹簧测力计下方垫上一块高度适宜的木块，使测力计一端固定，另一端拉着长方体木块，在水平方向上静止。给长木板安装小轮子，变成平板小车，向右水平拉动平板小车，木块同时受弹簧测力计的拉力和平板小车对它的摩擦力而保持静止。弹簧测力计的示数就是木块受到的滑动摩擦力。

优点分析：在实验时给长木板安装小轮子，将长木板变成平板小车，用滚动摩擦代替滑动摩擦，有效减小了长木板与桌面间的摩擦力，能轻松拉动平板小车，使木块在相对滑动下保持静止。此外，原有的方案中弹簧测力计在实验过程中始终处于悬空状态，在两端拉力作用下，为保持整个弹簧测力计水平，弹簧测力计的弹簧、指针会与测力计的外壳摩擦，同时测力计的自重也会对实验产生影响。实验时在弹簧测力计下方垫上一个长木块做支撑，能很好地保持弹簧测力计处于水平状态，可以避免测力计内部零件不必要的摩擦，有效克服弹簧测力计因摩擦和自重对实验的影响，使弹簧测力计的示数更稳定，读数更准确。

3.3  实验装置改进方案三

如图5，将弹簧测力计竖直挂起，保持弹簧测力计在竖直方向上静止，拉木块的细绳通过定滑轮与测力计的挂钩相连，定滑轮将水平方向的拉力改变成了竖直方向的拉力。用电动机向右拉动平板小车，木块和弹簧测力计则保持静止状态，此时弹簧测力计示数就是木块的滑动摩擦力大小。

优点分析：竖直悬挂的弹簧测力计能够始终处于静止状态，便于准确读数，同时在实验过程中克服了弹簧测力计内部零件的摩擦及其自身重力的影响。用小电动机来拉平板小车可以保持长木板做水平匀速直线运动，使得实验读数误差进一步减小，达到更好的实验效果。改进后的实验装置，由于小电动机转速可调，可以方便探究滑动摩擦力大小与木块运动速度大小的关系，如表1。

将木块按不同方法放置可便捷探究滑动摩擦力与受力面积大小的关系;此外用这套装置还可研究力与运动的关系、做功与能量的关系、小电动机的机械效率等。

在实验装置改进的3个方案中，每种方案都比原来教材中的实验装置有所改进，而且3个改进方案层层递进，后一种方案在原有方案基础上进一步优化。到方案三时，不仅完美地解决了木块匀速运动和从弹簧测力计上准确读数的问题，还解决了弹簧测力计内部摩擦、自身重力以及较难拉动长木板的问题，使实验装置达到最佳效果。基于师生在教学活动中不断发现新问题并不断探索解决问题，才得到以上3个层层递进的实验装置改进方案。改进方案不断优化目的是要消除无关因素对实验的干扰，让实验操作更简单易行，增强实验的科学性和可靠性，提高实验效果。同时培养学生科学严谨的作风和实事求是的科学态度，以此全面提高学生的科学素养，为学生终身发展奠定基础。

参考文献：

[1] 陈国才.“滑动摩擦力大小与哪些因素有关”实验系列改进探究[J].试题与研究，2019（9）：95.

[2] 义务教育物理课程标准实验教科书编写组.八年级全一册[M].上海：上海科学技术出版社，2021.

[3] 孙丰富;朱召友.“探究影响滑动摩擦力大小因素”的实验 [J].物理教师，2014（6）：45.

[4] 刘永树.“探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关”的实验及改进[J].物理教学，2015（7）：49-51.