用可編程數(shù)字化測力計改進小學(xué)科學(xué)摩擦力實驗

廣東省深圳市龍崗區(qū)寶龍學(xué)校 陳飛虎

新課標對小學(xué)階段的科學(xué)課程設(shè)置了13個核心概念，其中，“物質(zhì)的運動與相互作用”部分要求學(xué)生通過設(shè)計探究實驗，觀察常見的摩擦力，了解摩擦力的大小對運動的影響。摩擦力是日常生活中常見的力，但它不僅抽象，而且是“被動力”，所以，對于學(xué)生來說，難以理解。因此，在“摩擦力”的學(xué)習過程中，教師可以通過創(chuàng)設(shè)情境，開展關(guān)于摩擦力的實驗探究，從而引導(dǎo)學(xué)生更好地理解。各個版本的教材大致設(shè)計了“探究影響滑動摩擦力大小的因素”和“探究不同種類摩擦力的大小”兩個實驗活動，存在操作難度大、步驟煩瑣、讀數(shù)不準等問題。本文利用數(shù)字化測力計改進這兩個實驗，較好地解決了以上問題。

一、已有實驗方案及不足

青島版教材中，設(shè)計了“探究影響滑動摩擦力大小的因素”的實驗活動。關(guān)于“探究影響滑動摩擦力大小的因素”的實驗，許多教育工作者對此都有研究。教材中，本實驗采用控制變量法和轉(zhuǎn)換法相結(jié)合的方法進行探究：用手勻速拉彈簧測力計，讓物體在不同粗糙程度的平面上運動，探究滑動摩擦力與接觸面粗糙程度的關(guān)系；增加物體的質(zhì)量再次拉動物體，探究滑動摩擦力與物體質(zhì)量的關(guān)系。它的優(yōu)點在于：原理簡單，容易理解；材料簡單，較好開展。缺點在于：很難用手勻速拉動彈簧測力計，在彈簧測力計被拉動的過程中進行讀數(shù)難度較大。

教科版教材中，設(shè)計了“探究不同種類摩擦力的大小”的實驗活動。關(guān)于“探究不同種類摩擦力的大小”的實驗，教材中，本實驗采用控制變量法和等效替代法相結(jié)合的方法進行探究：將一個放了重物的紙盒作為研究對象，將它放在木板上，通過墊圈拉動它在粗糙的平面上運動；分別完成“直接滑動”，在紙盒下放筆或筷子等作“滾木”、在紙盒下安裝輪子三種搬運方式，探究三種不同的摩擦力；用拉動物體所需要的墊圈數(shù)量來等效替代拉動物體的力，從而比較不同三種情況摩擦力的大小。優(yōu)點在于：容易實現(xiàn)，不需要勻速拖動彈簧測力計；讀數(shù)簡單，只需要記錄墊片數(shù)量。缺點在于：原理較難理解，學(xué)生需要將墊圈數(shù)量與拉動紙盒的力之間建立聯(lián)系，增加了思維負擔；操作難度增加，增加定滑輪、小托盤、墊圈等器材，學(xué)生需要同時操作紙盒，增減墊圈。

實際教學(xué)中，教師對以上實驗進行了改進。部分教育工作者利用數(shù)字測力計代替以上實驗的測力工具，實時顯示拉力的具體大小，讀數(shù)難度有所降低，但依然無法完美解決人手非勻速拉動所導(dǎo)致的讀數(shù)持續(xù)變化的問題。也有使用DIS實驗系統(tǒng)的方案，其中，力傳感器連接電腦能對讀取力的大小變化進行數(shù)據(jù)處理，較好地得出勻速運動的拉力，但對于小學(xué)生來說要求相對較高。

二、可編程數(shù)字化測力計的開發(fā)及有效性校驗

本文使用力的傳感器、采集卡、單片機、顯示屏等開源硬件，結(jié)合3D打印技術(shù)制作可編程數(shù)字化測力計代替以上實驗的測力工具，對“探究影響滑動摩擦力大小的因素”和“探究不同種類摩擦力的大小”這兩個小學(xué)摩擦力的實驗裝置進行了改進。

力傳感器將拉力的大小轉(zhuǎn)化為對應(yīng)模擬信號，通過采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，單片機讀取信號后先判斷拉動過程是否滿足勻速運動的條件，若不滿足則在屏幕顯示報錯，要求重做實驗，若滿足則截取勻速運動過程的拉力信號進行處理后將結(jié)果顯示在屏幕上。

為驗證此測力計結(jié)果的可靠性，教學(xué)中開展了如下實驗：

實驗器材：可編程數(shù)字化測力計、木塊、細繩、鉤碼。

實驗裝置：如圖1所示。

圖1

實驗過程：（1）木塊直接放在水平木板上，細繩一端系著木塊，另一端系在測力計上，勻速拉測力計，讓木塊在水平木板上運動，讀取測力計示數(shù)；（2）連接電腦讀取采集卡的所有讀數(shù)；（3）在木塊上放鉤碼，重復(fù)步驟（1）（2），獲得多組數(shù)據(jù)；（4）繪制拉力變化圖，如圖2所示。

圖2

實驗結(jié)果：實驗1～4中，從不同的采樣時間開始用力拉物體，拉力增加（此時物體靜止），達到某一峰值后（超過最大靜摩擦，物體開始運動）拉力稍稍降低保持在某一較平緩的范圍（物體做勻速直線運動），持續(xù)一段時間之后拉力劇降為0（物體停止運動）。測力計能截取勻速直線運動區(qū)域數(shù)據(jù)，計算出此時拉力，根據(jù)二力平衡條件，此時拉力等于物體受到的摩擦力。實驗5、6中，拉力變化不滿足勻速直線運動，測力計反饋“未勻速”結(jié)果。

實驗結(jié)論：使用該數(shù)字測力計能判斷物體是否做水平勻速直線運動，較準確地反饋勻速直線運動時的拉力大小，是對傳統(tǒng)測力儀器的優(yōu)化，不僅操作簡單，而且測量結(jié)果直接準確，可以解決以上兩個摩擦力實驗中的問題。

三、用可編程數(shù)字化測力計探究影響滑動摩擦力大小的因素

實驗器材：可編程數(shù)字化測力計、木塊、細繩、鉤碼、木板、毛巾。實驗裝置：如圖3所示。

圖3

實驗過程：（1）木塊直接放在水平木板上，細繩一端系著木塊，另一端系在測力計上，勻速拉測力計，讓木塊在水平木板上運動，讀取測力計示數(shù)；（2）在步驟（1）的條件下，在木塊與木板之間加一條毛巾，勻速拉動木塊，讀取測力計示數(shù)；（3）在步驟（1）的條件下，在木塊上加4個50g鉤碼，勻速拉測力計，讓木塊在水平木板上運動，讀取測力計示數(shù)。

實驗結(jié)果：見表1所列。

表1 探究影響滑動摩擦力大小的因素

實驗結(jié)論：滑動摩擦力的大小與接觸面粗糙程度、物體的質(zhì)量有關(guān)。物體的質(zhì)量相同，接觸面越粗糙，滑動摩擦力越大；接觸面粗糙程度相同，質(zhì)量越大，滑動摩擦力越大。

四、用可編程數(shù)字化測力計探究不同種類摩擦力的大小實驗改進

實驗器材：可編程數(shù)字化測力計、可拆卸輪子的小車、細繩、鉤碼、鉛筆。

實驗裝置：如圖4所示。

圖4

實驗過程：（1）小車卸下輪子裝上800g鉤碼，放在水平桌面上，細繩一端系著小車，另一端系在測力計上，勻速拉測力計，讓小車在水平木板上運動，讀取測力計示數(shù)；（2）在步驟（1）的條件下，在小車下加圓鉛筆作為“滾木”，勻速拉測力計，讓小車在水平木板上運動，讀取測力計示數(shù)；（3）在步驟（1）的條件下，將輪子裝回小車，勻速拉測力計，讓小車在水平木板上運動，讀取測力計示數(shù)。

實驗結(jié)果：見表2所列。

表2 探究不同種類摩擦力的大小

實驗結(jié)論：用不同的方式搬運重物，摩擦力的大小不同。物體質(zhì)量相同，直接滑動物體、使用“滾木”、使用輪子這三種情況下摩擦力依次減小。

五、實驗裝置的優(yōu)點

改進后，實驗裝置有以下優(yōu)點：（1）裝置簡單，直接拉動可編程數(shù)字化測力計直接測量，實驗過程明了；（2）操作簡單，相較于彈簧測力計，學(xué)生更容易實現(xiàn)勻速拉動，拉動結(jié)束后直接讀取顯示屏讀數(shù)；（3）科學(xué)可靠，可編程數(shù)字化測力計讀數(shù)精準，能通過程序?qū)蛩龠\動進行不同等級的判定，結(jié)果可靠；（4）經(jīng)濟且可拓展，本測力計成本約為市場常見數(shù)字化測力計的一半以內(nèi)，功能可根據(jù)使用者需求進行個性化設(shè)計，可拓展性強。

可編程數(shù)字化測力計的使用，有利于學(xué)生開展關(guān)于摩擦力的探究學(xué)習，掌握控制變量法，培養(yǎng)科技創(chuàng)新的興趣，落實了新課標關(guān)于科學(xué)課程培養(yǎng)科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐、態(tài)度責任四個核心素養(yǎng)的要求。