创新演示实验教具 核心素养精准落实

孙琦

摘 要：本文介紹了如何制作一个演示摩擦力方向的教具以及如何应用教具判断摩擦力方向，实验通过LED灯的亮暗来显示出摩擦力的方向，给学生留下深刻的印象，为学生以后深刻理解摩擦力的方向留下丰富的表象.

关键词：摩擦力;力的方向;LED灯;相对运动

文章编号：1008-4134（2019）17-0042中图分类号：G633.7文献标识码：B

1 提出问题

要想精准落实新课标指引下的物理核心素养教学，就要了解影响学生认知结构中的难点.影响学生认知提升的障碍有多种因素，比如前概念的干扰性，物理问题情境的复杂性，物理模型建构的抽象性，物理知识逻辑的系统性等等.其摩擦力的方向判断是高中物理力学教学中的一个难点，特别是对于分析能力较弱的同学，由于摩擦力有静摩擦力和滑动摩擦力两种，学生很容易混淆二者.为此笔者设计制作了摩擦力方向演示仪，来演示静摩擦力和滑动摩擦力的方向，以有效地解决教学难点，精准落实核心素养.

2 实验原理

轨道小车在外力（或重力分力）作用下会沿着轨道发生微小位移，如果小车向左移动如图1（a）中所示，复位开关A（里面有弹簧）接通电路，红色LED发光， 显示出仪器受到的摩擦力方向向右.当小车在外力（或重力分力）作用下向右发生微小位移如图1（a）中复位开关B接通电路，蓝色LED亮起来，显示出仪器受到的摩擦力方向左.撤去外力后，在两个复位开关中，在弹簧弹力作用下小车回到到最初位置电路断开，显示没有摩擦力.实验中通过LED灯的亮与暗来显示出摩擦力的有无和方向.当外力较小时小车发生微小位移，整个仪器（如图1实验原理图B所示）处于静止状态，可以根据弹簧秤读数显示出摩擦力大小，通过红色和蓝色LED亮显示出摩擦力方向.如果外力较大，会使得整个仪器在桌面上发生滑动（相对桌面移动），此时显示出仪器受到摩擦力方向与相对运动方向相反.通过实验可以归纳出来，仪器受到静摩擦力时摩擦力方向与相对运动趋势方向相反，仪器受到滑动摩擦力时，滑动摩擦力方向与相对运动方向相反，通过实验有效突破了摩擦力方向的教学难点.

3 实验材料及工具

实验室标配的塑料小车及配套铝制轨道1个、4.5V红色和蓝色LED灯带各1个、三节5号1.5V干电池和电池盒、J2515—G型双缝干涉单缝衍射观察仪木盒1个（制作仪器底座）、长1cm木工螺丝5个、长5cm的木工螺丝2个、长3cm直径0.8cm螺杆2个螺母配4个、10×15×2cm配重木块1个、22cm×31cm硬纸板1块、双面胶带1卷、导线若干、剪刀、十字螺丝刀、电钻、铝材切割机等.

4 实验仪器制作

4.1 制作底座和小车轨道

在小车轨道上用切割机或者铁锯条（手锯）截取16cm，然后将木盒截取12.5cm将铝制轨道放入木盒中.在木盒适当位置用电钻钻3个直径为8mm 的小孔（如图2）1、2、3位置.然后在孔1、2位置位置拧上两个长3cm直径0.8cm螺杆，在内外分别拧一个螺母，这样既可以固定螺杆位置也可以调节螺杆的长度.

4.2 制作移动小车

在塑料小车上用电钻钻孔（如图3），钻孔4、5、6、7孔直径8 mm，然后将复位开关A、B穿过孔4、7同时用热熔胶固定复位开关A、B.购买的两个LED灯带都带有一个三节5号1.5V的干电池盒，将两个灯带并联到电池盒上，同时将复位开关串联到电路中，如图3（a）所示.电池盒的长度比塑料小车略宽，需要将塑料小车锯开缺口，大小恰好放入电池盒为宜.

4.3 制作配重木块

在厚木板上截取长16cm、宽10cm、厚度约2.5cm左右的木板，用电钻在木块上适当位置打两个孔，将配重木块放到小车上，先拧上木工螺丝，然后用笔在塑料小车上标记位置，用电钻打小孔，不要打穿，然后用十字螺丝刀将木工螺丝拧紧，这样配重木块就固定在小车上了.

在安装之前在两侧分别固定橡皮筋方便实验操作.

4.4 制作外包装盒和粘贴灯带

将长硬纸板沿着31cm方向等分成三份，在纸板内侧三等分的两个折痕处用剪刀（或壁纸刀）和刻度尺轻轻割开，不能割破，大约裁剪纸板厚度一半，裁剪出一小条方便折叠.然后将前面连接好的LED灯带穿过图2的孔3同时穿过外包装盒，用长1cm木工螺丝将包装盒固定在底座木盒上.然后用双面胶将LED灯带粘贴到包装盒上仪器成品如图5所示，如果外观想要进一步美化可以在外面粘贴彩纸.

5 实验仪器演示

5.1 演示静摩擦力和滑动摩擦力方向

用手拉左侧橡皮筋，稍微用力使物体处于静止状态，右侧红灯亮显示出物体受到的静摩擦力向右.向左加大拉力，使物体沿着桌面向左滑动，发现右侧红灯亮，说明物体相对桌面向左运动时，滑动摩擦力方向向右，如图6所示.用手拉右侧橡皮筋，稍微用力使物体处于静止状态，左侧篮灯亮显示出物体受到的静摩擦力向左.向右加大拉力，使物体沿着桌面向右滑动，发现左侧篮灯亮，说明物体相对桌面向右运动时，滑动摩擦力方向向右，如图6所示.通过以上实验可以直接判断出静摩擦力反向与相对运动趋势方向相反.滑动摩擦力的方向与相对运動方向相反.通过实验得蓝灯亮摩擦力向左，红灯亮摩擦力向右.

5.2 演示物体相对传动带静止时摩擦力方向

5.2.1 演示传送带水平启动、匀速运动、匀减速停止过程中摩擦力方向

将物体放到水平的传动带上（实验过程中始终与传送带保持相对静止），传送带运动的方向为水平向左.如图7所示，接通电源传动带启动，物体在传动带带动下向左加速，此时蓝灯亮显示出静摩擦力的方向水平向左.然后匀速运动以后显示没有摩擦力，关闭电源传送带停止运动，此时红灯亮显示静摩擦力方向水平向右.

通过实验（或者提前拍摄好录像）因为传送带比较大不方便教师在课堂上搬运，所以教师可以在实验室用传送带提前录制好实验视频.教师先让学生分析在三个过程中是否有摩擦力，然后实验探究摩擦力方向最后再受力分析理论探究摩擦力方向.通过三个教学环节以后学生会正确理解和掌握传送带问题时静摩擦力方向.

与图7情境类似的情境是物体在拉力作用下启动、匀速和停止过程中物体受到的滑动摩擦力方向始终与物体相对运动方向相反，如图8所示.图7中物体相对传动带静止，物体受到的是静摩擦力，而图8所示情境是滑动摩擦力，同样是启动、匀速和停止（刹车）的运动过程，通过比较使得学生明确滑动摩擦力方向与静摩擦力方向判断方法的区别.

5.2.2 演示传送带倾斜匀速运动时静摩擦力方向

物体放到倾斜匀速运动的传送带上（相对传动带静止）传送带匀速向上运动物体受到的静摩擦力向上.当物体放到匀速向下运动的传送带上（相对传送带静止）物体受到的静摩擦力也是向上的.对于这个问题学习能力较弱的同学会认为，传送带匀速向上运动时静摩擦力向上，而匀速向下运动时静摩擦力是向下的.此处教学还是先提出问题让学生自己分析，有一些同学分析问题凭感觉而不是依据物理原理分析，同学分析的结果必然是不同的.然后如图9所示，用实验仪器探究在传送带匀速向下和匀速向上运动时摩擦力的方向都是向上的.最后教师提示，根据匀速运动合力为零，重力沿着斜面向下的分力和静摩擦力必然大小相等方向相反.通过三个教学环节的设置，学生会正确理解和掌握在倾斜匀速运动传送带上物体受到的静摩擦力方向都是沿着斜面向上的.

5.3 演示物体相对传动带有相对运动时滑动摩擦力方向

如图10所示，打开开关让传送带匀速运动，用手控制物体使物体处于静止状态.然后从静止释放物体，观察到物体静止时物体受到的滑动摩擦力向左.然后从静止释放物体，在较短的时间内观察到物体受到的滑动摩擦力还是向左的.经过较短时间后发现物体在加速到与传送带相同速度以后不受到摩擦力.为了增加演示性可以用手机慢动作录像回放.

5.4 演示物体随着转盘做匀速圆周运动时静摩擦力方向

物体随着转盘做匀速运动时物体做匀速圆周运动的向心力来源是高中物理教学的一个难点.用手控制物体在水平面内做匀速转动，模拟物体在水平转盘上做匀速圆周运动情境.通过实验可以直观显示出物体做匀速圆周运动时的向心力是由静摩擦力提供，并指向圆心.

通过实验可以突破水平转盘内物体做匀速圆周运动时向心力来源的教学难点.

5.5 演示物体静止在斜面上在外力作用下静摩擦力方向变化

如图11所示，将物体放在斜面上物体处于静止状态，在重力沿着斜面向下的分力作用下，物体有沿斜面向下运动趋势，红灯亮显示出静摩擦力方向沿着斜面向上.沿着斜面拉橡皮筋当拉力等于重力分力时，物体没有运动趋势，物体受到的静摩擦力为零.增大拉力，当拉力大于重力沿着斜面向下分力物体有沿斜面向上运动趋势，蓝灯亮此时静摩擦力方向沿着斜面向下.通过实验演示出在拉力作用下静摩擦力方向的变化.

6 结束语

实验具有有效性，实验有效解决的摩擦力（静摩擦力和滑动摩擦力）方向的无法直接观察，通过LED灯带的亮暗来直观显示出摩擦力的方向，有效解决摩擦力方向教学难点.

实验具有可视性，实验采用LED灯带来显示摩擦力方向，在教室内的任意角落都可以观察到印象，通过简易的实验设计给学生留下深刻的印象，有利于为以后学生对摩擦力方向的判断.

实验具有可操作性，精确调整好实验的弹簧复位开关，实验成功率百分之百，实验的精确程度可以通过调节两个触控螺杆与复位开关的距离来控制.

实验具有低成本性，实验制作中用到的材料基本都是实验室有的，仅仅需要购买两个LED灯带和两个复位开关，实验成本大约30元左右.

实验中需要进一步改进的地方，实验灵敏度与教具的对称性和复位开关的弹簧劲度系数有关，左右两个复位开关的正中心应该与触碰螺杆正中心对齐，复位开关弹簧的劲度系数是由生产厂家决定，可以通过调节不同的复位开关来改进灵敏度.

7 小结

物理教学过程中教师要不断的思考如何精准落实物理学科的核心素养，教师要了解整个物理知识体系的学习难点在哪里，如何根据高中学生的特点思考解决教学难点的策略和方法.其中创新物理演示实验是一条有效的教学策略，教师不断积累学生学习的疑难问题，然后通过创新演示实验突破学生学习过程中的障碍，这是一种精准体现物理学科核心素养的策略.

参考文献：

[1]颜利平，张洪明.创新高中物理演示实验功能与策略[J].中学物理，2015，33（11）：33-34.

[2]李柏涛，张洪明.利用生活物品演示静电实验[J].中学物理，2015，33（09）：53-54.