自制數字化摩擦力教具 提升學生科學探究能力

摘" "要：物理課程標準指出，重視數字化實驗儀器，提高實驗測量精度。利用Arduino開發板和薄膜壓力傳感器制作一種可實時探究摩擦力的數字化實驗教具，克服傳統教具在操作和讀數上的不足。該教具可用于初高中摩擦力教學中摩擦力的定性、定量探究，幫助學生深入理解摩擦力的特點和規律。同時，傳感器的引入能夠激發學生的學習興趣，發展學生的科學探究和創新實踐能力。

關鍵詞：自制教具；摩擦力；薄膜壓力傳感器

物理實驗在培養學生科學探究能力和科學態度等方面具有重要地位，而實驗器材的完備配置是學生進行實驗的前提。然而，許多傳統實驗器材操作雖簡單方便，卻存在許多不足的地方，無法滿足實驗教學的需要。如人教版高中物理必修一“摩擦力”一節中，探究影響滑動摩擦力大小的實驗裝置難以保證木塊勻速運動、彈簧測力計讀數難、誤差較大等問題（原因下文會提及）。《義務教育課程標準》[ 1 ]指出：“有條件的學校可配備數字化實驗儀器，增強實驗現象的可視化數據采集的實時化”。《普通物理高中課程標準》[ 2 ]也指出：“要重視數字實驗，創新實驗方式。利用數字實驗系統可以使很多難以測量或難以控制的實驗得以順利進行，也使很多實驗的測量精度大大提升”。因此，利用現代化手段改進傳統實驗能夠提高實驗的可操作性和嚴謹性，能更好地培養和發展學生的實驗技能、創新實踐意識和科學態度。本文嘗試利用Arduino開發板和薄膜壓力傳感器改進傳統摩擦力探究實驗，克服傳統摩擦力探究實驗器材存在的不足。

1" 自制摩擦力教具

1.1" 制作原理

摩擦力的測量根據平衡法得出，實驗原理圖如圖1所示。通過施加拉力F拉動長木板運動，由于擋板的限制，放置在長木板上的木塊緊貼并擠壓擋板，相對于地面保持靜止。此過程中木塊受力平衡，木塊對擋板的壓力與其受到的摩擦力大小相等。本教具利用薄膜壓力傳感器測量出木塊對擋板的壓力即可得出摩擦力的大小。在木塊上加砝碼即可改變木塊與木板之間的壓力。通過Arduino開發板自主編程采集薄膜壓力傳感器數據，并利用LCD1602顯示屏顯示出壓力的大小，此示數即為摩擦力的大小。自主編程可實現薄膜壓力傳感器測得的壓力大小通過顯示屏顯示，也可利用藍牙模塊傳輸在手機上顯示出壓力的大小。

1.2" 實驗裝置

本教具的實驗裝置如圖2、3、4所示，主要由木塊、擋板、薄膜壓力傳感器、Arduino開發板、LCD1602顯示屏、智能手機等構成。將薄膜壓力傳感器固定在擋板上，長木板位于擋板下端，可水平自由拉動，如圖2所示。木塊上方可放置砝碼以改變木塊與木板之間的壓力，將木塊放置在長木板上，使其緊貼薄膜壓力傳感器，然后水平向右緩慢拉動長木板，在顯示屏上即可讀出滑動摩擦力的大小。同時，在Arduino開發板上添加的HC-06藍牙通信模塊實現與手機通信，在手機上也可以進行讀數，如圖4所示。將Arduino開發板與電腦連接，通過Arduino軟件中的串口繪圖儀可以得出摩擦力大小隨時間變化的圖像。

該教具實現了化動為靜，把傳統實驗中拉動物塊做勻速直線運動轉化為拉著長木板運動，此時木塊相對于地面靜止，薄膜壓力傳感器測量的壓力在數值上就等于摩擦力的大小（包含靜摩擦力和滑動摩擦力），使得讀數更準確。在拉動長木板的過程中，相對于地面靜止的木塊受到的滑動摩擦力與長木板的運動狀態無關，因此不要求長木板做勻速運動，這使得學生更容易操作，增強了學生實驗操作的體驗性。

2 自制實驗裝置在教學中的應用

2.1" 自制實驗裝置在初中教學中的應用

2.1.1課標及教材分析

《義務教育物理課程標準》[ 1 ]55對摩擦力部分的內容要求是“通過常見實例或者實驗，了解摩擦力，探究并了解滑動摩擦力的大小與哪些因素有關”。探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關為探究類學生必做實驗。學生在了解摩擦力的前提下，還需要自主探究影響滑動摩擦力大小的因素有哪些。通過讓學生自主探究，知道滑動摩擦力大小與哪些因素有關，使學生形成正確的物理觀念，發展學生科學探究能力，培養學生實事求是的科學態度。在初中物理人教版“摩擦力”一節中，通過用彈簧測力計水平拉動木塊，使它沿長木板做勻速直線運動測得滑動摩擦力的大小，探究影響滑動摩擦力大小的因素。但由于手動控制木塊的速度，很難使木塊保持勻速直線運動狀態，導致實驗誤差較大，（學生的）實驗結果容易出現偏差[ 3 ]，不利于學生理解滑動摩擦力大小與接觸面所受壓力、接觸面粗糙程度的關系。從學生的長遠發展來看，不利于學生科學探究能力的培養和實事求是的科學態度的養成。

2.1.2教學中的應用

在本實驗中，學生借助自制教具，采用控制變量法，探究滑動摩擦力與哪些因素有關。本實驗探究因素與學生提出的猜想有關，筆者大致將其分為以下三組，如表1所示。

表 1" 實驗設計方案

實驗1：控制接觸面粗糙程度、壓力正對面積不變，通過改變木塊上鉤碼的數量來改變對長木板的壓力，緩慢拉動長木板，觀察壓力傳感器的示數。此時引導學生思考壓力傳感器示數與木塊對長木板的壓力之間的定性關系，從而得到滑動摩擦力與壓力之間的定性關系。

實驗2：控制木塊對長木板的壓力、壓力正對面積不變，改變木塊和長木板之間接觸面的粗糙程度，先后在長木板上鋪上一層毛巾和塑料口袋，緩慢拉動長木板，觀察壓力傳感器的示數。此時引導學生思考壓力傳感器與木塊和長木板接觸面粗糙程度的定性關系，從而得到滑動摩擦力與接觸面粗糙程度的定性關系。

實驗3：控制木塊對長木板的壓力、接觸面粗糙程度不變，先后用木塊側面和底面（側面與底面面積大小不等）接觸長木板來改變木塊和長木板之間的正對面積，緩慢拉動長木板，觀察壓力傳感器的示數。此時引導學生思考壓力傳感器的示數與木塊和長木板之間正對面積的定性關系，從而得到滑動摩擦力與壓力正對面積的關系。

2.2" 自制教具在高中教學中的應用

2.2.1課標及教材分析

《普通高中物理課程標準》[ 2 ]對摩擦力部分的內容要求是“認識摩擦力，知道滑動摩擦和靜摩擦現象，能用動摩擦因數計算滑動摩擦力的大小”。初中階段要求學生能夠定性地知道滑動摩擦力大小與哪些因素有關，高中階段要求學生能夠知道滑動摩擦力大小與壓力大小的定量關系、靜摩擦力大小的規律以及能夠分析摩擦力的方向。通過實驗探究，使學生形成正確的物理觀念，發展學生科學推理能力和科學探究能力，培養學生實事求是的科學態度。在高中物理人教版“摩擦力”一節中，也是通過用彈簧測力計水平拉動木塊，使它沿長木板做勻速直線運動測得滑動摩擦力的大小，從而得出滑動摩擦力大小與壓力大小之間的定量關系。但由于手動控制木塊的速度，很難使木塊保持勻速直線運動狀態，且彈簧測力計的讀數不夠準確，導致實驗誤差較大，難以得出兩者之間正確的定量關系，不利于學生科學探究能力的培養和嚴謹認真、實事求是的科學態度的養成。

2.2.2自制教具在教學中的應用

2.2.2.1探究滑動摩擦力的大小與壓力的大小之間的定量關系

將木塊放置在長木板上并緊貼薄膜壓力傳感器，接通Arduino開發板電源，手機連接藍牙模塊。然后緩慢拉動長木板，通過顯示屏或手機讀取滑動摩擦力的大小，并記錄木塊的質量；通過改變木塊上鉤碼的數量來改變對長木板的壓力，重復以上操作，記錄摩擦力的大小和木塊加上鉤碼的總質量。借助Excel對數據進行處理，擬合 Ff—FN 圖，如圖6所示。通過擬合公式從而得到滑動摩擦力與壓力之間的定量關系。由于條件簡陋，材料粗糙，導致擬合的直線不過原點，但總體誤差較小可忽略不計。因此，可將0.3378近似認為是“木-木”之間的動摩擦因數。還可以通過該教具測量不同材料間的動摩擦因數。

2.2.2.2探究靜摩擦力大小

將Arduino開發板連接電腦，打開Arduino軟件串口繪圖儀，保持壓力為2.832 N，重新實驗。由串口繪圖儀顯示出摩擦力大小隨時間變化的圖像如圖7所示。通過圖像可知靜摩擦力的范圍總是在零到最大靜摩擦力之間，且最大靜摩擦力為0.75 N，略大于滑動摩擦力0.59 N。

2.2.2.3探究摩擦力的方向

摩擦力方向的判斷對于學生而言比較抽象復雜。因此，在木塊側邊固定一根大毛刷，以毛刷偏離方向來顯性化摩擦力的方向，如圖8、圖9所示。

通過將數字化實驗融合在課堂教學中，激發學生的學習興趣，加深學生對規律的認識，開拓學生視野，且本實驗操作快捷、高效，實驗現象明顯。

3 總結

本教具利用薄膜壓力傳感器實現了摩擦力大小的精確測量，相對于傳統實驗器材更加準確，解決了難以讓木塊保持勻速直線運動、彈簧測力計讀數誤差較大等問題，且實驗步驟簡單，實驗效果明顯。同時，傳感器的引入能夠激發學生的學習興趣，開拓學生的視野，打開學生的思維，讓學生從不同角度去思考和實踐。通過這個過程培養學生科學探究能力、嚴謹認真的科學態度和實踐創新能力。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（2022年版）[S]．北京：北京師范大學出版社，2022：15．

［2］ 中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020：76-77．

［3］ 陳海蘭，馮霞.自制摩擦力探究實驗裝置[J].物理教師，2017，38（12）：55-56.