基于PASCO二維力平臺的中學物理拓展性實驗設計
——以“摩擦力”為例

黃 穎 李基正 葉澤波 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

判斷摩擦力的大小和方向是中學力學的難點，許多有關摩擦力的問題與生活實際密切聯系，且多為動態場景，需要學生充分展開想象才能了解其運動過程.而傳統實驗中僅用彈簧測力計與木塊等實驗器材無法實時展示摩擦力的方向與大小，且與真實的生活情景脫節，造成學生無法客觀有效地對生活中常見的現象進行分析[1].進行課外拓展實驗可有效幫助學生克服以上難點.基于上述問題，本研究將利用PASCO系統設計課外拓展實驗，幫助學生對生活中跳遠、騎車時摩擦力的方向和大小進行拓展研究.不僅可以補充教材中的實驗，還可以讓學生親身體會物理與生活息息相關，培養學生的科學探究能力.

1 PASCO系統簡介

PASCO系統是采用傳感器和數據采集器接口，通過PASCO Capstone操作平臺進行控制和數據采集的物理實驗系統.利用Xplorer GLX數據采集器進行戶內外實驗，同時在采集器的顯示屏或電腦中對一個甚至是多個物理量進行實時觀測和研究[2,3].PASCO二維力平臺是該系統的一種傳感器，能夠同時測量物體豎直方向與前后方向的受力情況，實時記錄整個運動過程中力的大小與方向變化.靈敏度高，操作性強，便于學生自行進行實驗探究.

2 實驗原理分析

2.1 立定跳遠

學生立定跳遠時借助蹬地時的摩擦力獲得較大的加速度躍出[4].其在起跳時，豎直方向上受到重力和支持力，水平方向上受到摩擦力，受力分析如圖1所示.跳出不同的水平距離時，被測量人在豎直方向和水平方向的受力情況，探究跳遠距離與受力大小與方向的關系.

圖1 立定跳遠起跳時的受力分析

2.2 自行車前進

當推車前進時，前、后輪與地面接觸點相對地面向前運動，因而車輪均受到向后的摩擦力，阻礙其前進，摩擦力的分析如圖2所示.

圖2 推車前進時前后輪所受摩擦力

當騎車前進時，腳踏板帶動后輪轉動，后輪與地面接觸點相對地面有向后運動的趨勢，受到向前的摩擦力，驅動自行車前進；由于自行車兩輪之間距離不變，則此時前輪與地面接觸點相對地面有向前運動的趨勢，受到向后的摩擦力，作為阻力阻礙自行車前進，摩擦力的分析如圖3所示[5,6].

圖3 騎車前進時前后輪所受摩擦力

3 實驗操作過程

3.1 探究立定跳遠距離與受力情況的關系

(1)將二維力平臺放置在地面上，并與GLX數據采集器、電腦進行連接，實驗裝置如圖4所示.

圖4 “探究跳遠距離與受力情況的關系”實驗裝置

(2)打開PASCO Capstone，新建兩個圖，將圖5(a)的縱坐標標簽設置為“法向力”，圖5(b)的縱坐標標簽設置為“平行力”，規定跳躍方向為正方向.

(3)根據運動的快慢設置合適的采樣頻率，對二維力平臺調零.

(4)實驗者站在二維力平臺上，點擊“記錄”按鈕，向前跳大約0.4 m；點擊“停止”，此時平臺已經記錄了此次的實驗數據，標記數據峰值，如圖5所示，重復測量5次.

(5)依次改變跳遠距離為0.8 m，1.2 m，1.6 m和2.0 m，重復步驟(2)、(3)、(4)，保存實驗數據.

(6)對數據進行處理和分析.

圖5 跳遠距離為0.4 m時人的受力情況

3.2 探究自行車前進過程中前后輪的受力情況

(1)將二維力平臺放置于水平地面上，并與數據采集器、電腦依次連接，用木板搭建好與平臺等高的通道，如圖6所示.

圖6 “探究自行車前進過程中前后輪的受力情況”實驗裝置

(2)打開PASCO Capstone軟件，新建圖表，將縱坐標標簽設置為“水平力”，取自行車前進方向為正方向.

(3)根據運動的快慢設置合適的采樣頻率，對二維力平臺調零.

(4)點擊“記錄”，推車勻速通過二維力平臺，點擊“停止”，記錄下推車通過時前后輪受到的摩擦力情況，保存實驗數據.

(5)重復步驟(2)、(3)，再次點擊“記錄”，騎車通過二維力平臺后點擊“停止”，則平臺記錄下騎車通過時前后輪受到的摩擦力，保存實驗數據.

(6)對數據進行處理和分析.

4 實驗數據的處理與分析

4.1 跳遠距離與受力情況的關系

記錄不同的跳遠距離對應的平行力(即摩擦力f)的峰值，實驗數據如表1所示.

表1 不同跳遠距離對應的摩擦力f的峰值

記錄不同的跳遠距離對應的法向力(即支持力FN)的峰值，實驗數據如表2所示.求出每個距離對應的力的平均值，分別記錄在表格中.

表2 不同跳遠距離對應的支持力FN的峰值

根據表1和表2數據，利用Excel做出跳遠距離與f和FN的平均值的關系圖線如圖7和圖8所示.

圖7 跳遠的距離與摩擦力峰值的關系

圖8 跳遠的距離與支持力峰值的關系

從圖7和圖8可以直觀看到：人所受到的摩擦力隨著跳遠距離的增加逐漸遞增，且摩擦力f的方向都為正方向；而隨著跳遠距離的增加，人在豎直方向受到的支持力FN并無明顯變化.由此可知，立定跳遠的距離與水平方向上的摩擦力有關，且呈正相關，與豎直方向上的支持力無明顯關系.

4.2 自行車前進過程中前后輪的受力情況

自行車推行通過二維力平臺后得到的結果如圖9所示.從圖9中可知車在推行過程中前后輪所受摩擦力方向均向后，此時摩擦力均為阻力.由于人在推行過程中手對車把施加了壓力，導致前輪所受摩擦力略大于后輪所受摩擦力.

圖9 自行車推行過程中前后輪所受摩擦力

如圖10所示，自行車沿直線騎行通過二維力平臺得到的實驗結果.

圖10 自行車騎行過程中前后輪所受摩擦力

從圖中可明顯觀察到騎行過程中前后輪所受摩擦力方向相反，前輪所受摩擦力為阻力，后輪所受摩擦力為動力，且動力大于阻力，進而驅動自行車向前運動.

5 總結

跳遠和騎自行車等體育運動是中學生生活中不可或缺的一部分，也蘊含了深刻的物理規律.通過課外拓展實驗，學生將知識與實際生活聯系起來，為他們學習更為復雜的摩擦力奠定基礎；加深了學生對受力分析的理解，在實驗過程中還提高了實踐創新能力.另外，利用PASCO實驗系統的實驗方法相較于傳統的實驗室實驗更為方便直觀，可直接用于戶外實驗，有利于學生進行課外探究，提高學生科學探究的能力與興趣，拓展課內知識，高效快捷.