黃 穎 李基正 葉澤波 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

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

1 PASCO系統(tǒng)簡介

PASCO系統(tǒng)是采用傳感器和數(shù)據(jù)采集器接口，通過PASCO Capstone操作平臺進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集的物理實(shí)驗系統(tǒng).利用Xplorer GLX數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行戶內(nèi)外實(shí)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(jìn)行實(shí)時觀測和研究[2,3].PASCO二維力平臺是該系統(tǒng)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(shí)時記錄整個運(yùn)動過程中力的大小與方向變化.靈敏度高，操作性強(qiáng)，便于學(xué)生自行進(jìn)行實(shí)驗探究.

2 實(shí)驗原理分析

2.1 立定跳遠(yuǎn)

學(xué)生立定跳遠(yuǎn)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(yuǎn)距離與受力大小與方向的關(guān)系.

圖1 立定跳遠(yuǎn)起跳時的受力分析

2.2 自行車前進(jìn)

當(dāng)推車前進(jìn)時，前、后輪與地面接觸點(diǎn)相對地面向前運(yùn)動，因而車輪均受到向后的摩擦力，阻礙其前進(jìn)，摩擦力的分析如圖2所示.

圖2 推車前進(jìn)時前后輪所受摩擦力

當(dāng)騎車前進(jìn)時，腳踏板帶動后輪轉(zhuǎn)動，后輪與地面接觸點(diǎn)相對地面有向后運(yùn)動的趨勢，受到向前的摩擦力，驅(qū)動自行車前進(jìn)；由于自行車兩輪之間距離不變，則此時前輪與地面接觸點(diǎn)相對地面有向前運(yùn)動的趨勢，受到向后的摩擦力，作為阻力阻礙自行車前進(jìn)，摩擦力的分析如圖3所示[5,6].

圖3 騎車前進(jìn)時前后輪所受摩擦力

3 實(shí)驗操作過程

3.1 探究立定跳遠(yuǎn)距離與受力情況的關(guān)系

(1)將二維力平臺放置在地面上，并與GLX數(shù)據(jù)采集器、電腦進(jìn)行連接，實(shí)驗裝置如圖4所示.

圖4 “探究跳遠(yuǎn)距離與受力情況的關(guān)系”實(shí)驗裝置

(2)打開PASCO Capstone，新建兩個圖，將圖5(a)的縱坐標(biāo)標(biāo)簽設(shè)置為“法向力”，圖5(b)的縱坐標(biāo)標(biāo)簽設(shè)置為“平行力”，規(guī)定跳躍方向為正方向.

(3)根據(jù)運(yùn)動的快慢設(shè)置合適的采樣頻率，對二維力平臺調(diào)零.

(4)實(shí)驗者站在二維力平臺上，點(diǎn)擊“記錄”按鈕，向前跳大約0.4 m；點(diǎn)擊“停止”，此時平臺已經(jīng)記錄了此次的實(shí)驗數(shù)據(jù)，標(biāo)記數(shù)據(jù)峰值，如圖5所示，重復(fù)測量5次.

(5)依次改變跳遠(yuǎn)距離為0.8 m，1.2 m，1.6 m和2.0 m，重復(fù)步驟(2)、(3)、(4)，保存實(shí)驗數(shù)據(jù).

(6)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析.

圖5 跳遠(yuǎn)距離為0.4 m時人的受力情況

3.2 探究自行車前進(jìn)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(shù)據(jù)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(jìn)過程中前后輪的受力情況”實(shí)驗裝置

(2)打開PASCO Capstone軟件，新建圖表，將縱坐標(biāo)標(biāo)簽設(shè)置為“水平力”，取自行車前進(jìn)方向為正方向.

(3)根據(jù)運(yùn)動的快慢設(shè)置合適的采樣頻率，對二維力平臺調(diào)零.

(4)點(diǎn)擊“記錄”，推車勻速通過二維力平臺，點(diǎn)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(shí)驗數(shù)據(jù).

(5)重復(fù)步驟(2)、(3)，再次點(diǎn)擊“記錄”，騎車通過二維力平臺后點(diǎn)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(shí)驗數(shù)據(jù).

(6)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析.

4 實(shí)驗數(shù)據(jù)的處理與分析

4.1 跳遠(yuǎn)距離與受力情況的關(guān)系

記錄不同的跳遠(yuǎn)距離對應(yīng)的平行力(即摩擦力f)的峰值，實(shí)驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 不同跳遠(yuǎn)距離對應(yīng)的摩擦力f的峰值

記錄不同的跳遠(yuǎn)距離對應(yīng)的法向力(即支持力FN)的峰值，實(shí)驗數(shù)據(jù)如表2所示.求出每個距離對應(yīng)的力的平均值，分別記錄在表格中.

表2 不同跳遠(yuǎn)距離對應(yīng)的支持力FN的峰值

根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)，利用Excel做出跳遠(yuǎn)距離與f和FN的平均值的關(guān)系圖線如圖7和圖8所示.

圖7 跳遠(yuǎn)的距離與摩擦力峰值的關(guān)系

圖8 跳遠(yuǎn)的距離與支持力峰值的關(guān)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)的距離與水平方向上的摩擦力有關(guān)，且呈正相關(guān)，與豎直方向上的支持力無明顯關(guān)系.

4.2 自行車前進(jìn)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(jié)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(dǎo)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(shí)驗結(jié)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(jìn)而驅(qū)動自行車向前運(yùn)動.

5 總結(jié)

跳遠(yuǎn)和騎自行車等體育運(yùn)動是中學(xué)生生活中不可或缺的一部分，也蘊(yùn)含了深刻的物理規(guī)律.通過課外拓展實(shí)驗，學(xué)生將知識與實(shí)際生活聯(lián)系起來，為他們學(xué)習(xí)更為復(fù)雜的摩擦力奠定基礎(chǔ)；加深了學(xué)生對受力分析的理解，在實(shí)驗過程中還提高了實(shí)踐創(chuàng)新能力.另外，利用PASCO實(shí)驗系統(tǒng)的實(shí)驗方法相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗室實(shí)驗更為方便直觀，可直接用于戶外實(shí)驗，有利于學(xué)生進(jìn)行課外探究，提高學(xué)生科學(xué)探究的能力與興趣，拓展課內(nèi)知識，高效快捷.