創新演示實驗教具 核心素養精準落實

孫琦

摘 要：本文介紹了如何制作一個演示摩擦力方向的教具以及如何應用教具判斷摩擦力方向，實驗通過LED燈的亮暗來顯示出摩擦力的方向，給學生留下深刻的印象，為學生以后深刻理解摩擦力的方向留下豐富的表象.

關鍵詞：摩擦力;力的方向;LED燈;相對運動

文章編號：1008-4134（2019）17-0042中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

1 提出問題

要想精準落實新課標指引下的物理核心素養教學，就要了解影響學生認知結構中的難點.影響學生認知提升的障礙有多種因素，比如前概念的干擾性，物理問題情境的復雜性，物理模型建構的抽象性，物理知識邏輯的系統性等等.其摩擦力的方向判斷是高中物理力學教學中的一個難點，特別是對于分析能力較弱的同學，由于摩擦力有靜摩擦力和滑動摩擦力兩種，學生很容易混淆二者.為此筆者設計制作了摩擦力方向演示儀，來演示靜摩擦力和滑動摩擦力的方向，以有效地解決教學難點，精準落實核心素養.

2 實驗原理

軌道小車在外力（或重力分力）作用下會沿著軌道發生微小位移，如果小車向左移動如圖1（a）中所示，復位開關A（里面有彈簧）接通電路，紅色LED發光， 顯示出儀器受到的摩擦力方向向右.當小車在外力（或重力分力）作用下向右發生微小位移如圖1（a）中復位開關B接通電路，藍色LED亮起來，顯示出儀器受到的摩擦力方向左.撤去外力后，在兩個復位開關中，在彈簧彈力作用下小車回到到最初位置電路斷開，顯示沒有摩擦力.實驗中通過LED燈的亮與暗來顯示出摩擦力的有無和方向.當外力較小時小車發生微小位移，整個儀器（如圖1實驗原理圖B所示）處于靜止狀態，可以根據彈簧秤讀數顯示出摩擦力大小，通過紅色和藍色LED亮顯示出摩擦力方向.如果外力較大，會使得整個儀器在桌面上發生滑動（相對桌面移動），此時顯示出儀器受到摩擦力方向與相對運動方向相反.通過實驗可以歸納出來，儀器受到靜摩擦力時摩擦力方向與相對運動趨勢方向相反，儀器受到滑動摩擦力時，滑動摩擦力方向與相對運動方向相反，通過實驗有效突破了摩擦力方向的教學難點.

3 實驗材料及工具

實驗室標配的塑料小車及配套鋁制軌道1個、4.5V紅色和藍色LED燈帶各1個、三節5號1.5V干電池和電池盒、J2515—G型雙縫干涉單縫衍射觀察儀木盒1個（制作儀器底座）、長1cm木工螺絲5個、長5cm的木工螺絲2個、長3cm直徑0.8cm螺桿2個螺母配4個、10×15×2cm配重木塊1個、22cm×31cm硬紙板1塊、雙面膠帶1卷、導線若干、剪刀、十字螺絲刀、電鉆、鋁材切割機等.

4 實驗儀器制作

4.1 制作底座和小車軌道

在小車軌道上用切割機或者鐵鋸條（手鋸）截取16cm，然后將木盒截取12.5cm將鋁制軌道放入木盒中.在木盒適當位置用電鉆鉆3個直徑為8mm 的小孔（如圖2）1、2、3位置.然后在孔1、2位置位置擰上兩個長3cm直徑0.8cm螺桿，在內外分別擰一個螺母，這樣既可以固定螺桿位置也可以調節螺桿的長度.

4.2 制作移動小車

在塑料小車上用電鉆鉆孔（如圖3），鉆孔4、5、6、7孔直徑8 mm，然后將復位開關A、B穿過孔4、7同時用熱熔膠固定復位開關A、B.購買的兩個LED燈帶都帶有一個三節5號1.5V的干電池盒，將兩個燈帶并聯到電池盒上，同時將復位開關串聯到電路中，如圖3（a）所示.電池盒的長度比塑料小車略寬，需要將塑料小車鋸開缺口，大小恰好放入電池盒為宜.

4.3 制作配重木塊

在厚木板上截取長16cm、寬10cm、厚度約2.5cm左右的木板，用電鉆在木塊上適當位置打兩個孔，將配重木塊放到小車上，先擰上木工螺絲，然后用筆在塑料小車上標記位置，用電鉆打小孔，不要打穿，然后用十字螺絲刀將木工螺絲擰緊，這樣配重木塊就固定在小車上了.

在安裝之前在兩側分別固定橡皮筋方便實驗操作.

4.4 制作外包裝盒和粘貼燈帶

將長硬紙板沿著31cm方向等分成三份，在紙板內側三等分的兩個折痕處用剪刀（或壁紙刀）和刻度尺輕輕割開，不能割破，大約裁剪紙板厚度一半，裁剪出一小條方便折疊.然后將前面連接好的LED燈帶穿過圖2的孔3同時穿過外包裝盒，用長1cm木工螺絲將包裝盒固定在底座木盒上.然后用雙面膠將LED燈帶粘貼到包裝盒上儀器成品如圖5所示，如果外觀想要進一步美化可以在外面粘貼彩紙.

5 實驗儀器演示

5.1 演示靜摩擦力和滑動摩擦力方向

用手拉左側橡皮筋，稍微用力使物體處于靜止狀態，右側紅燈亮顯示出物體受到的靜摩擦力向右.向左加大拉力，使物體沿著桌面向左滑動，發現右側紅燈亮，說明物體相對桌面向左運動時，滑動摩擦力方向向右，如圖6所示.用手拉右側橡皮筋，稍微用力使物體處于靜止狀態，左側籃燈亮顯示出物體受到的靜摩擦力向左.向右加大拉力，使物體沿著桌面向右滑動，發現左側籃燈亮，說明物體相對桌面向右運動時，滑動摩擦力方向向右，如圖6所示.通過以上實驗可以直接判斷出靜摩擦力反向與相對運動趨勢方向相反.滑動摩擦力的方向與相對運動方向相反.通過實驗得藍燈亮摩擦力向左，紅燈亮摩擦力向右.

5.2 演示物體相對傳動帶靜止時摩擦力方向

5.2.1 演示傳送帶水平啟動、勻速運動、勻減速停止過程中摩擦力方向

將物體放到水平的傳動帶上（實驗過程中始終與傳送帶保持相對靜止），傳送帶運動的方向為水平向左.如圖7所示，接通電源傳動帶啟動，物體在傳動帶帶動下向左加速，此時藍燈亮顯示出靜摩擦力的方向水平向左.然后勻速運動以后顯示沒有摩擦力，關閉電源傳送帶停止運動，此時紅燈亮顯示靜摩擦力方向水平向右.

通過實驗（或者提前拍攝好錄像）因為傳送帶比較大不方便教師在課堂上搬運，所以教師可以在實驗室用傳送帶提前錄制好實驗視頻.教師先讓學生分析在三個過程中是否有摩擦力，然后實驗探究摩擦力方向最后再受力分析理論探究摩擦力方向.通過三個教學環節以后學生會正確理解和掌握傳送帶問題時靜摩擦力方向.

與圖7情境類似的情境是物體在拉力作用下啟動、勻速和停止過程中物體受到的滑動摩擦力方向始終與物體相對運動方向相反，如圖8所示.圖7中物體相對傳動帶靜止，物體受到的是靜摩擦力，而圖8所示情境是滑動摩擦力，同樣是啟動、勻速和停止（剎車）的運動過程，通過比較使得學生明確滑動摩擦力方向與靜摩擦力方向判斷方法的區別.

5.2.2 演示傳送帶傾斜勻速運動時靜摩擦力方向

物體放到傾斜勻速運動的傳送帶上（相對傳動帶靜止）傳送帶勻速向上運動物體受到的靜摩擦力向上.當物體放到勻速向下運動的傳送帶上（相對傳送帶靜止）物體受到的靜摩擦力也是向上的.對于這個問題學習能力較弱的同學會認為，傳送帶勻速向上運動時靜摩擦力向上，而勻速向下運動時靜摩擦力是向下的.此處教學還是先提出問題讓學生自己分析，有一些同學分析問題憑感覺而不是依據物理原理分析，同學分析的結果必然是不同的.然后如圖9所示，用實驗儀器探究在傳送帶勻速向下和勻速向上運動時摩擦力的方向都是向上的.最后教師提示，根據勻速運動合力為零，重力沿著斜面向下的分力和靜摩擦力必然大小相等方向相反.通過三個教學環節的設置，學生會正確理解和掌握在傾斜勻速運動傳送帶上物體受到的靜摩擦力方向都是沿著斜面向上的.

5.3 演示物體相對傳動帶有相對運動時滑動摩擦力方向

如圖10所示，打開開關讓傳送帶勻速運動，用手控制物體使物體處于靜止狀態.然后從靜止釋放物體，觀察到物體靜止時物體受到的滑動摩擦力向左.然后從靜止釋放物體，在較短的時間內觀察到物體受到的滑動摩擦力還是向左的.經過較短時間后發現物體在加速到與傳送帶相同速度以后不受到摩擦力.為了增加演示性可以用手機慢動作錄像回放.

5.4 演示物體隨著轉盤做勻速圓周運動時靜摩擦力方向

物體隨著轉盤做勻速運動時物體做勻速圓周運動的向心力來源是高中物理教學的一個難點.用手控制物體在水平面內做勻速轉動，模擬物體在水平轉盤上做勻速圓周運動情境.通過實驗可以直觀顯示出物體做勻速圓周運動時的向心力是由靜摩擦力提供，并指向圓心.

通過實驗可以突破水平轉盤內物體做勻速圓周運動時向心力來源的教學難點.

5.5 演示物體靜止在斜面上在外力作用下靜摩擦力方向變化

如圖11所示，將物體放在斜面上物體處于靜止狀態，在重力沿著斜面向下的分力作用下，物體有沿斜面向下運動趨勢，紅燈亮顯示出靜摩擦力方向沿著斜面向上.沿著斜面拉橡皮筋當拉力等于重力分力時，物體沒有運動趨勢，物體受到的靜摩擦力為零.增大拉力，當拉力大于重力沿著斜面向下分力物體有沿斜面向上運動趨勢，藍燈亮此時靜摩擦力方向沿著斜面向下.通過實驗演示出在拉力作用下靜摩擦力方向的變化.

6 結束語

實驗具有有效性，實驗有效解決的摩擦力（靜摩擦力和滑動摩擦力）方向的無法直接觀察，通過LED燈帶的亮暗來直觀顯示出摩擦力的方向，有效解決摩擦力方向教學難點.

實驗具有可視性，實驗采用LED燈帶來顯示摩擦力方向，在教室內的任意角落都可以觀察到印象，通過簡易的實驗設計給學生留下深刻的印象，有利于為以后學生對摩擦力方向的判斷.

實驗具有可操作性，精確調整好實驗的彈簧復位開關，實驗成功率百分之百，實驗的精確程度可以通過調節兩個觸控螺桿與復位開關的距離來控制.

實驗具有低成本性，實驗制作中用到的材料基本都是實驗室有的，僅僅需要購買兩個LED燈帶和兩個復位開關，實驗成本大約30元左右.

實驗中需要進一步改進的地方，實驗靈敏度與教具的對稱性和復位開關的彈簧勁度系數有關，左右兩個復位開關的正中心應該與觸碰螺桿正中心對齊，復位開關彈簧的勁度系數是由生產廠家決定，可以通過調節不同的復位開關來改進靈敏度.

7 小結

物理教學過程中教師要不斷的思考如何精準落實物理學科的核心素養，教師要了解整個物理知識體系的學習難點在哪里，如何根據高中學生的特點思考解決教學難點的策略和方法.其中創新物理演示實驗是一條有效的教學策略，教師不斷積累學生學習的疑難問題，然后通過創新演示實驗突破學生學習過程中的障礙，這是一種精準體現物理學科核心素養的策略.

參考文獻：

[1]顏利平，張洪明.創新高中物理演示實驗功能與策略[J].中學物理，2015，33（11）：33-34.

[2]李柏濤，張洪明.利用生活物品演示靜電實驗[J].中學物理，2015，33（09）：53-54.