作者：吴淑花武淑清
教学月刊：中学版 2010年10期
实验探究就是通过师生及生生间的互助、互动来设计实验、探索知识、解决问题的学习方式，它是培养学生科学素质和创新能力的重要手段。概念图是以图表的形式来揭示抽象的思维、逻辑和概念，它具有形象性、直观性、关系性和可扩展性等特点，是培养学生组织、归纳知识、梳理思路、诱导创新的重要策略。[1]将概念图引入到探究实验的实践中，可以帮助师生理清实验设计的思路，把握研究进程和方向，轻松并清晰地展示研究成果，以达成根本性地提升师生的实验探究能力。本文以概念图为手段，展示在河北正定中学高一年级进行的“影响滑动摩擦力因素”的实验探究。[2]
一、实验探究设计
实验探究设计犹如工程设计蓝图，直接决定探究的成败与质量。在完成概念图制作培训后，根据科学探究的一般步骤（提出问题→猜想或假设→设计实验→进行实验→分析和论证→结论），师生合作研制出图1所示的实验探究概念图。
图1 “探究影响滑动摩擦力因素”的实验设计
二、探究过程
1.图解探究过程
根据图1，学生首先以课题小组为单位制订具体探究方案，经过热烈讨论，各组均设计出多种实验方案；之后，再以班级为单位，通过课题组陈述设计方案、组间辩论、协作讨论等过程，以突出探究目标，简化探究过程为原则，共同筛选最佳探究方案；最后，课题小组主要针对最佳方案，规划实验器材和实验操作。图2显示了探究的整体过程。
图2 “探究过程”概念图
2.实验操作与结果
方案1
实验仪器：形状如图3剖面图和图4立体视图的木质摩擦计滑块，各面的光滑程度基本相同；玻璃板、铁板、泡沫板等各1张，2个长木板（其中1个两边带滑轮）、2个相同的沙桶、天平、细绳及适量沙子等。
图3 剖面图
图4 立体视图
图5
实验方法：（如图5所示）开始，使两个沙桶等质量。逐渐增加一侧沙桶的质量，直到滑块开始运动，再稍减桶中的沙子，这时滑块不动，用手轻轻推滑块，滑块开始做近似的匀速直线运动（将滑块放在不同位置，重复上述实验以确保滑块做匀速运动）。用可测出滑块的滑动摩擦力。
探究目标与实验操作：
(1)f与重力(G)和正压力(N)的关系：在滑块上加砝码以改变G和N。
(2)f与接触面积、接触面的性质关系：在滑块和砝码质量一定的情况下，改变摩擦计滑块与木板的接触面积，重复上述实验；在滑块、砝码质量以及接触面积一定的情况下，在木板上铺上不同材料的平板，重复上述实验。
(3)f与滑块的相对速度v的关系：使滑块以不同的速度运动，观测滑块的运动与受力情况。
(4)f与接触面的湿度的关系：用湿毛巾擦接触面，使之湿润，观测滑块的运动与受力情况。实验数据与结果：见概念图6
图6 方案1实验数据与结果概念图
方案2
实验器材：玻璃板、铁板、泡沫板等各一张、摩擦计滑块（同方案1）、长木板、托盘、重物、细绳、测力计等。
图7
实验方法：（如图7所示）将一端固定的测力计拴在滑块上，并使滑块位于水平木板上，使木板匀速运动，测力计和滑块虽然处于静止状态，但滑块与木板有相对运动，因此滑块受到滑动摩擦力。观察测力计的读数F，根据F=f测得f的大小。（本实验可用微型电动机代替重物拉动木板）
探究目标：探究f与v的关系，改变拉动木板的速度，观察测力计的读数。同时用此方案探究f与G和N的关系、f与S的关系f与接触面的湿度的关系、f与接触面性质的关系。
实验数据与结果：见概念图8（见下页）
方案3
实验器材：玻璃板、铁板、泡沫板等各一张、摩擦计滑块（同方案1）、长木板2个（长短不同）、重物、细绳、测力计、铁架台、刻度尺等。实验方法：（如图9所示）用铁架台及长木板搭建斜面，测量斜面的高度h和长度L求得倾角。
图9
实验过程同方案2。拉动木板，观察测力计的读数T，根据f=T-Gsinα和N=Gcosα测得f和N。改变不同倾角，重复上述实验。
探究目标：主要探究f与G和N的关系。在G不变的情况下，调整倾斜角度α，改变N，匀速拉动木板，观察测力计的读数，判断／和滑块重力(G)和压力(N)的关系。其次，可以探究f与S的关系f与v的关系、f与接触面的湿度的关系、f与接触面性质的关系等。
实验数据与结果：见概念图10（见下页）
3.三种方案的实验结论
滑动摩擦力f与G无关，与正压力N的大小成正比；滑动摩擦力f与接触面积S无关；滑动摩擦力厂与接触面的材料、平滑程度有关；滑动摩擦力f与接触面的干湿程度有关；滑动摩擦力f与相对速度v无关。
图8 方案2实验数据与结果概念图
图10 方案3实验数据与结果概念图
三、分析和论证
对探究结果的分析和论证是提升学生探究能力和反思能力的关键环节。完成实验后，指导学生做概念图11。
图11 实验结果的分析与论证
1.探究结果的验证
为了加深对探究结果的理解，学生们又设计了多种实验方案，来进一步验证探究结果。例如，在辨析f与G和N关系时，课题组分别设计了不同的简易实验。
2.对实验的分析与比较
虽然三种方案的实验效果较好，可操作性较佳，但它们的探究目标各有侧重，产生的误差大小不同、误差来源不同。最后，各组用图象法对上述实验进行定量研究，确定f和N的关系。
探究影响滑动摩擦力因子的原因。对以上探究结果作进一步的研究，探其原因，究其机理。滑动摩擦力的本质是什么？为什么滑动摩擦力与重力无关？为什么不同材料的接触面、干湿度对f的影响不同？等等。引导学生从宏观和微观意义来探究，了解不同学者提出的有关理论，了解人类对摩擦力的认识及研究过程。
四、结论与待探究的问题
整理研究结果，总结、归纳新的探究目标，并做下一步的探究延伸，见概念图12。
图12 “影响滑动摩擦力因素”的实验探究结论概念图
作者介绍：吴淑花，石家庄学院物理系（河北石家庄 050035）； 武淑清，河北省教育科学研究所（河北 石家庄 050061）。
作者：吴淑花武淑清
教学月刊：中学版 2010年10期
实验探究就是通过师生及生生间的互助、互动来设计实验、探索知识、解决问题的学习方式，它是培养学生科学素质和创新能力的重要手段。概念图是以图表的形式来揭示抽象的思维、逻辑和概念，它具有形象性、直观性、关系性和可扩展性等特点，是培养学生组织、归纳知识、梳理思路、诱导创新的重要策略。[1]将概念图引入到探究实验的实践中，可以帮助师生理清实验设计的思路，把握研究进程和方向，轻松并清晰地展示研究成果，以达成根本性地提升师生的实验探究能力。本文以概念图为手段，展示在河北正定中学高一年级进行的“影响滑动摩擦力因素”的实验探究。[2]
一、实验探究设计
实验探究设计犹如工程设计蓝图，直接决定探究的成败与质量。在完成概念图制作培训后，根据科学探究的一般步骤（提出问题→猜想或假设→设计实验→进行实验→分析和论证→结论），师生合作研制出图1所示的实验探究概念图。
图1 “探究影响滑动摩擦力因素”的实验设计
二、探究过程
1.图解探究过程
根据图1，学生首先以课题小组为单位制订具体探究方案，经过热烈讨论，各组均设计出多种实验方案；之后，再以班级为单位，通过课题组陈述设计方案、组间辩论、协作讨论等过程，以突出探究目标，简化探究过程为原则，共同筛选最佳探究方案；最后，课题小组主要针对最佳方案，规划实验器材和实验操作。图2显示了探究的整体过程。
图2 “探究过程”概念图
2.实验操作与结果
方案1
实验仪器：形状如图3剖面图和图4立体视图的木质摩擦计滑块，各面的光滑程度基本相同；玻璃板、铁板、泡沫板等各1张，2个长木板（其中1个两边带滑轮）、2个相同的沙桶、天平、细绳及适量沙子等。
图3 剖面图
图4 立体视图
图5
实验方法：（如图5所示）开始，使两个沙桶等质量。逐渐增加一侧沙桶的质量，直到滑块开始运动，再稍减桶中的沙子，这时滑块不动，用手轻轻推滑块，滑块开始做近似的匀速直线运动（将滑块放在不同位置，重复上述实验以确保滑块做匀速运动）。用可测出滑块的滑动摩擦力。
探究目标与实验操作：
(1)f与重力(G)和正压力(N)的关系：在滑块上加砝码以改变G和N。
(2)f与接触面积、接触面的性质关系：在滑块和砝码质量一定的情况下，改变摩擦计滑块与木板的接触面积，重复上述实验；在滑块、砝码质量以及接触面积一定的情况下，在木板上铺上不同材料的平板，重复上述实验。
(3)f与滑块的相对速度v的关系：使滑块以不同的速度运动，观测滑块的运动与受力情况。
(4)f与接触面的湿度的关系：用湿毛巾擦接触面，使之湿润，观测滑块的运动与受力情况。实验数据与结果：见概念图6
图6 方案1实验数据与结果概念图
方案2
实验器材：玻璃板、铁板、泡沫板等各一张、摩擦计滑块（同方案1）、长木板、托盘、重物、细绳、测力计等。
图7
实验方法：（如图7所示）将一端固定的测力计拴在滑块上，并使滑块位于水平木板上，使木板匀速运动，测力计和滑块虽然处于静止状态，但滑块与木板有相对运动，因此滑块受到滑动摩擦力。观察测力计的读数F，根据F=f测得f的大小。（本实验可用微型电动机代替重物拉动木板）
探究目标：探究f与v的关系，改变拉动木板的速度，观察测力计的读数。同时用此方案探究f与G和N的关系、f与S的关系f与接触面的湿度的关系、f与接触面性质的关系。
实验数据与结果：见概念图8（见下页）
方案3
实验器材：玻璃板、铁板、泡沫板等各一张、摩擦计滑块（同方案1）、长木板2个（长短不同）、重物、细绳、测力计、铁架台、刻度尺等。实验方法：（如图9所示）用铁架台及长木板搭建斜面，测量斜面的高度h和长度L求得倾角。
图9
实验过程同方案2。拉动木板，观察测力计的读数T，根据f=T-Gsinα和N=Gcosα测得f和N。改变不同倾角，重复上述实验。
探究目标：主要探究f与G和N的关系。在G不变的情况下，调整倾斜角度α，改变N，匀速拉动木板，观察测力计的读数，判断／和滑块重力(G)和压力(N)的关系。其次，可以探究f与S的关系f与v的关系、f与接触面的湿度的关系、f与接触面性质的关系等。
实验数据与结果：见概念图10（见下页）
3.三种方案的实验结论
滑动摩擦力f与G无关，与正压力N的大小成正比；滑动摩擦力f与接触面积S无关；滑动摩擦力厂与接触面的材料、平滑程度有关；滑动摩擦力f与接触面的干湿程度有关；滑动摩擦力f与相对速度v无关。
图8 方案2实验数据与结果概念图
图10 方案3实验数据与结果概念图
三、分析和论证
对探究结果的分析和论证是提升学生探究能力和反思能力的关键环节。完成实验后，指导学生做概念图11。
图11 实验结果的分析与论证
1.探究结果的验证
为了加深对探究结果的理解，学生们又设计了多种实验方案，来进一步验证探究结果。例如，在辨析f与G和N关系时，课题组分别设计了不同的简易实验。
2.对实验的分析与比较
虽然三种方案的实验效果较好，可操作性较佳，但它们的探究目标各有侧重，产生的误差大小不同、误差来源不同。最后，各组用图象法对上述实验进行定量研究，确定f和N的关系。
探究影响滑动摩擦力因子的原因。对以上探究结果作进一步的研究，探其原因，究其机理。滑动摩擦力的本质是什么？为什么滑动摩擦力与重力无关？为什么不同材料的接触面、干湿度对f的影响不同？等等。引导学生从宏观和微观意义来探究，了解不同学者提出的有关理论，了解人类对摩擦力的认识及研究过程。
四、结论与待探究的问题
整理研究结果，总结、归纳新的探究目标，并做下一步的探究延伸，见概念图12。
图12 “影响滑动摩擦力因素”的实验探究结论概念图
作者介绍：吴淑花，石家庄学院物理系（河北石家庄 050035）； 武淑清，河北省教育科学研究所（河北 石家庄 050061）。