Лабораторные работы по исследованию параметров силы трения
методическая разработка по физике (7,8,9 класс) на тему

3.1. Экспериментальное обеспечение этапа 1. Конкретно-чувственное восприятие

3.1.1. Сравнение сил трения покоя, скольжения, качения и веса тела

Приборы и материалы: динамометр,  брусок деревянный, грузы с двумя крючками - 2 шт., карандаши круглые- 2шт.

Порядок выполнения работы

1. Вычислите цену деления шкалы динамометра.

2. Измерьте вес бруска с двумя грузами при помощи динамометра. Результат измерения веса запишите в тетрадь.

3. Измерьте максимальную силу трения покоя  бруска по столу. Для этого положите брусок на стол, а на брусок два груза; к бруску прицепите динамометр и приведите брусок с грузами в движение. Запишите показания динамометра, соответствующее началу движения бруска.

а) Измерение веса. б) Измерение силы трения скольжения по столу. в) Измерение силы трения   качения

Рисунок 18- Проведение измерений

4. Измерьте силу трения скольжения бруска с грузами по столу. Для этого перемещайте брусок с грузами равномерно по столу при помощи динамометра. Результат измерения силы запишите в тетрадь.

5. Измерьте силу трения качения бруска по столу. Для этого положите брусок с двумя грузами на два круглых карандаша и перемещайте равномерно брусок по столу при помощи динамометра. Результат измерения силы запишите в тетрадь.

6. Сделайте вывод о том, какая сила больше:

а) вес тела или максимальная сила трения покоя?

б)  максимальная сила трения покоя или сила трения скольжения?

в) сила трения скольжения или сила трения качения?

Экспериментальные данные:

1. Вычислили цену деления шкалы динамометра , ц.д=0,1 Н
2. Измерили вес бруска с двумя грузами при помощи динамометра,                        P=2,7±0,1H.
3.  Измерили максимальную силу трения покоя  бруска по столу. Fтр.п=1,2±0,1H.
4. Измерили силу трения скольжения бруска с грузами по столу. Fтр.ск=1±0,1H.
5. Измерили силу трения качения бруска по столу. Fтр.ск=0, 2±0,1H.
6. Вывод:

а) вес тела больше чем максимальная сила трения покоя.

б)  максимальная сила трения покоя больше чем сила трения скольжения.

в) сила трения скольжения больше чем сила трения качения.

3.1.2. Изучение зависимости силы трения скольжения от рода трущихся поверхностей.

Приборы и материалы: динамометр, трибометр, грузы с двумя крючками- 2 шт., лист бумаги, лист наждачной бумаги.

а) Дерево по дереву. б) Дерево по гладкой бумаге. в) Дерево по наждачной бумаге

Рисунок 19- Измерение силы трения скольжения

Порядок выполнения работы

1. Вычислите цену деления шкалы динамометра.
2. Измерьте силу трения скольжения бруска с двумя грузами:

а) по поверхности линейки трибометра;

б) по гладкой бумаге;

в) по наждачной бумаге.

4. Результаты измерений запишите в таблицу.

5.Ответьте на вопросы:

1.Зависит ли сила трения скольжения:

а) от рода трущихся поверхностей?

б) от шероховатости трущихся поверхностей?

2) Какими способами можно увеличить или уменьшить силу трения скольжения?

Пример таблицы в тетради ля записи результатов измерений

Экспериментальные данные:

Вычислили цену деления шкалы динамометра , ц.д=0,1 Н

Таблица 13– Результаты измерений:

Выводы:

1. Сила трения: а) зависит от рода трущихся поверхностей.

б) зависит от шероховатости трущихся поверхностей?

2)  Способы  увеличения или уменьшения силы трения скольжения:

Увеличить: увеличить шероховатость трущихся поверхностей, насыпать между трущихся поверхностей частицы (стружку, опилки, песок).

Уменьшить: шлифовка, полировка трущихся поверхностей, нанесение смазки.

3.1.3. Изучение зависимости силы трения скольжения от силы давления и независимости от площади трущихся поверхностей.

Приборы и материалы: динамометр, трибометр, грузы с двумя крючками- 2шт.

а) Большая грань+один груз. б) Большая грань+два груза. в)Малая грань+два груза.

Рисунок 20- Измерение силы трения скольжения

Порядок выполнения работы

1. Вычислите цену деления шкалы динамометра.
2. Положите на линейку трибометра брусок большой гранью, а на него – груз и измерьте силу трения скольжения по линейке.
3. Положите на брусок второй груз и снова измерьте силу трения скольжения бруска по линейке.
4. Положите на линейку брусок меньшей гранью, поставьте на него два груза и снова измерьте силу трения скольжения бруска по линейке.
5. Ответьте на вопрос: зависит ли сила трения скольжения:

а) от силы давления, и если зависит, то как?

б) от площади трущихся поверхностей при постоянной силе давления? [3].

Экспериментальные данные:

1. Вычислили цену деления шкалы динамометра. ц.д=0,1 Н
2. Измерили силу трения скольжения по линейке: Fтр.ск=0, 5±0,1H.
3. Положили на брусок второй груз и снова измерили силу трения скольжения бруска по линейке. Fтр.ск=1±0,1H.

4.Положили на линейку брусок меньшей гранью, поставили на него два груза и снова измерили силу трения скольжения бруска по линейке.     Fтр.ск=1±0,1H.

5.Ответы на вопрос: зависит ли сила трения скольжения:

а) зависит прямо пропорционально

б) не зависит от площади трущихся поверхностей при постоянной силе давления.

3.1.4. Методические рекомендации:

Данные лабораторные  работы рационально использовать на первом этапе  – конкретно-чувственного восприятия, где фиксируются качественные зависимости. Они  осуществляют связь с реальностью, быстро и качественно определяют силу трения. Установление конкретно-чувственного восприятия способствует такие операции как наблюдение, сравнение физических величин, сопоставлением и анализ. Лабораторные работы соответствуют познавательным возможностям учащихся, усложняются постепенно, что способствует поэтапному формированию системы знаний, умений и навыков. Кроме того, они способствуют также развитию мышления учащихся, так как побуждают их к выполнению умственных операций (сравнение, обобщение, синтез и другие) и создают возможность для самоконтроля. Активизация мыслительной деятельности достигается путем постановки соответствующих вопросов в ходе выполнения работ. Вопросы обращают внимание учащихся на существенные стороны изучаемых явлений, заставляют их осмысливать свои действия и полученные результаты. Выполняется в 7-м классе.

Благодаря кратковременности выполнения  (10-15 минут) данные работы обладают еще  одним ценным свойством: их можно включать в отдельные этапы урока с целью решения  различных учебных задач. Лабораторные работы  выполняются на однотипном  оборудовании и всеми учащимися фронтально.

В конце урока обязательное коллективное обсуждение результатов.

При выполнении лабораторных работ на второй образовательной ступени (в основной школе) учитель кроме обеспечения этапа формирования понятия реализует дополнительно цели:

1. знакомство с методами измерений

2. формирование обобщенного умения проводить физические измерения

3. формирование обобщенного умения проводить экспериментальную проверку физических закономерностей

Классификация по дидактическим целям:

1. Наблюдение и изучение физических явлений

2. Знакомство с физическими приборами и измерениями по ним.

3. Знакомство с устройством и принципом действия некоторых приборов (динамометр)

4. Проверка физических закономерностей

5. Определение физических констант (коэффициент трения)

Схема проведения лабораторной работы:

1. Вступительная беседа

2. Проведение эксперимента         

3. Обработка результатов

4. Выводы

5. Обобщение выводов учащихся, формирования вывода об общей закономерности.

При организации деятельности учителю учитывает:

1. на вступительной беседе должны оговариваться способы работы с приборами: как их использовать, определение шкалы измерений, техника безопасности, правила оформления работы,
2. класс делится на бригады по два человека;
3. формируется инструкция (ход выполнения работы). Инструкция не заменяет отчет;
4. отчет в тетради ученика предполагает: таблицы, графики, выводы, вычисление погрешности.

Критерии оценки:

1. Степень самостоятельности (по наблюдению).

2. Грамотность оформления.

3.2. Обеспечение этапа 5. Установления связей данного понятия с другими понятиями

3.2.1. Лабораторная работа Измерение силы трения скольжения ^[1].

Если положить на горизонтальную поверхность брусок и подействовать на него с достаточной силой в горизонтальном направлении, то брусок станет двигаться. Нетрудно убедиться, что в этом случае на брусок действуют четыре силы: в вертикальном направлении – сила тяжести P и сила реакции опоры Q, равные по модулю противоположные по направлению; в горизонтальном направлении – сила тяги  и противоположная по направлению сила  трения    .

Чтобы брусок двигался равномерно и прямолинейно, нужно, чтобы модуль силы тяги был равен модулю силы трения.

На этом основан метод измерения силы трения. Следует приложить к бруску силу тяги, которая будет поддерживать равномерное прямолинейное движение этого тела. По этой силе тяги определяют модуль силы трения.

Приборы и материалы: трибометр, состоящий из деревянной линейки и деревянного бруска стремя отверстиями; школьный динамометр; набор грузов по механике.

Задание 1.Определить силу трения между бруском и линейкой.

Указания к работе

1. Зацепив крючок динамометра за крючок бруска, приведите их в  равномерное движение по линейке ( или по поверхности стола), измерьте силу тяги. Заметим, что вовремя движения бруска указатель динамометра колеблется, поэтому за результат измерения принимают среднее положение указателя между его крайними отклонениями. Результат измерения запишите в таблицу.

2. Нагружая брусок одним, двумя и тремя грузами, измерьте в каждом случае силу трения. Данные занесите в таблицу.

Задание 2.Определить коэффициент трения

Легко убедиться, что в случае движения тела по горизонтальной поверхности сила нормального давления равна силе тяжести, действующей на это тело: N=P .Это позволяет вычислить коэффициент трения:

                                                                (3)

1. Однако силу трения определяют с большей погрешностью из-за того, что по ряду причин указатель динамометра не устанавливается на одном месте, а колеблется в процессе измерения.
2. Определите инструментальную погрешность коэффициента трения.
3. Сделайте вывод. [18].

Экспериментальные данные:

Задание 1. Определить силу трения между бруском и линейкой.

1. Определили вес бруска и груза с помощью динамометра, записали в таблицу.

2. Двигая брусок равномерно по деревянной линейке, определили силу тяги, которая равна силе трения. Записали ее значение в таблицу.

Таблица 14 – Результаты эксперимента

3. Определили коэффициент трения для каждого измерения силы трения, занесли их в таблицу.

4. Определили погрешность измерения для каждого значения коэффициента силы трения.

                                      ∆µ=∙ µ                                                                    (4)

=0,25                =

= 0,16                =

= 0,12                =

Вывод:

1. Коэффициент трения равен  0,30

2. Инструментальная погрешность измерения равна  0,07

3. Коэффициент трения скольжения при взаимном движении тела и по поверхности является величиной постоянной не зависящей от силы нормального давления.

3.2.2. Методические рекомендации.

Данную лабораторную работу целесообразно использовать на пятом этапе формирования понятия – установление связей данного понятия с другими понятиями. Выявлению связей между величинами способствует зависимости между величинами и их анализ. Выполняется в 7-м классе.

Метод расчета погрешности, предложенный автором учебника с точки зрения экспериментальной физики, в этой работе является нерациональным, поскольку  число измерений должно быть как можно больше от 10 и более, поэтому для определения относительной погрешности используем  расчетные формулы.

Работа выполняется на однотипном оборудовании и всеми учащимися, занимает (30-40 минут).

В конце урока обязательное коллективное обсуждение результатов.

При выполнении этой лабораторной работы на второй образовательной ступени (в основной школе) учитель кроме обеспечения этапа формирования понятия реализует дополнительно цели:

1. знакомство с методами измерений

2. формирование обобщенного умения проводить физические измерения

3. формирование обобщенного умения проводить экспериментальную проверку физических закономерностей

Классификация по дидактическим целям:

1. Наблюдение и изучение физических явлений

2. Знакомство с физическими приборами и измерениями по ним.

3. Знакомство с устройством и принципом действия некоторых приборов (динамометр)

4. Проверка физических закономерностей

5. Определение физических констант (коэффициент трения)

Схема проведения лабораторной работы:

1. Вступительная беседа

2. Проведение эксперимента

3. Обработка результатов

4. Выводы

5. Обобщение выводов учащихся, формирования вывода об общей закономерности.

На вступительной беседе должно оговариваться:

если есть приборы, то, как их использовать, объяснить шкалу измерений, техника безопасности, как оформить работу, класс разделить на бригады по два человека

Инструкция (есть ход выполнения работы)

Отчет (нет хода, должны быть таблицы, графики, выводы, вычисление погрешности  (в этом случае относительная, учитель заранее должен знать какая погрешность должна получится).

Критерии оценки:

1. Степень самостоятельности (по наблюдению)

2. Грамотность оформления

3.3. Обеспечение этапа 8. Обогащение понятия

Этот этап является пограничным между 7-м и 10-м классами. В 10-м классе нецелесообразно повторять лабораторные работы 7-го класса, поэтому можно предложить лабораторные работы в виде экспериментальных задач. Содержание этих задач развивает понятие «сила трения».

3.3.1. Лабораторная работа. Измерение коэффициента трения скольжения, используя наклонную плоскость

Цель:

Рисунок 24- Схема движения бруска по наклонной плоскости

Оборудование: линейка деревянная от трибометра, брусок деревянный, транспортир, штатив.  

Ход работы

1. Используя штатив, закрепите линейку под углом к столу.

2. Положите брусок на закрепленную под углом деревянную линейку.

3. Меняя угол наклона линейки, найдите такой максимальный угол, при котором брусок еще покоится.

4.Измерьте длину основания линейки и высоту подъема линейки.

 (5)

5. Рассчитайте                                  по формуле значение коэффициента трения скольжения дерева о дерево [34].

6. Вывод

 Экспериментальные данные

Измерили высоту подъема и длину  основания линейки h=15±0,01 см, d=50±0,01 см.

tg=h/d                                                                 (6)

tg=15/50=0,3000

                         tg= 0,0115+0,0150=0,0009

                          tg×                                                                 (7)

                         =0,00090,3000=0,00027

Вывод:

1. Коэффициент трения равен  0,300000

2. Погрешность измерения равна 0,00027

3.3.2 Лабораторная работа. Сравнение силы трения покоя и скольжения

Цель: Определите отношение коэффициентов трения покоя и трения скольжения между поверхностью линейки и плоской гранью карандаша.

Оборудование: линейка с делениями, два карандаша.

Ход работы

1. Поставьте в горизонтальном положении линейку на карандаши и начните равномерно сдвигать их к центру линейки. При этом поочередно будет скользить по линейки то один, то другой карандаш. (Значит, на один карандаш действует сила трения скольжения, на другой сила трения покоя. Смена двигающего карандаша определяется моментами сил реакции опоры).

2. Сделайте чертеж, изобразите силы.

3. Измерьте расстояния от центра линейки до подвижного и неподвижного карандашей.

4. Запишите два условия равновесия для определенного положения.

5. Определите  искомое отношение.

6. Сделайте вывод

Экспериментальные данные:

х1

х2

N1

N2

Рисунок 25- Схема линейки и карандашей

  3.  х1=0,065±0,001м, х2= 0,080±0,001м.

        Два условия равновесия для определенного положения

;                                                             (8)

,                                                       (9)

                  х1=0,065±0,001м, х2= 0,08±0,001м.

                  Определили  искомое отношение: =0,065/0,080=0,080

(10)

 ∆µ=ε∙ µ                                                                       (11)

=0,014

Вывод:=

1. Отношение коэффициентов трения покоя и скольжения равен 0,80.

2. Инструментальная погрешность измерения равна  0,014

3.3.3. Лабораторная работа. Измерение коэффициента трения скольжения, через опрокидывание бруска

Цель

Оборудование: брусок деревянный, линейка деревянная от трибометра, нить, линейка ученическая.  

Ход работы

Теоретическое обоснование. Брусок с привязанной к длинной грани нитью поставьте торцом на горизонтальную поверхность стола и тяните за нить. Если нить закреплена невысоко над поверхностью стола, то брусок будет скользить. При определённой высоте h точки А крепления нити сила натяжения нити F опрокидывает брусок. Условия равновесия для этого случая относительно точки – угла опрокидывания:

Рисунок 22- Брусок и действующие на него силы

Fh – mga/2 = 0;                                                        (12)    

F – Fтр = 0;                                                          (13)      

N – mg = 0.                                                                   (14)        

С учётом выражения   получим, что  

(15)

Отсюда                                                                                                                                                                  

Обработка результатов.

1. Рассчитайте по формуле значение коэффициента трения скольжения дерева о дерево.

2. Определите погрешность измерений.

3. Запишите полученный ответ с учётом допущенных погрешностей измерений.

4. Сделайте вывод.

Экспериментальный расчет

a=45±0,1 мм, b=80±0, 1 мм.

µ=45мм/80мм=0, 28000

=0,00325

∆µ=∙ µ

=

Вывод:

1. Коэффициент трения равен  0,28000

2. Инструментальная погрешность измерения равна  0,00091

3.3.4. Лабораторная работа. Измерение коэффициента трения скольжения с помощью карандаша

Цель

Оборудование: карандаш, линейка деревянная от трибометра, линейка ученическая.  

Ход работы

Теоретическое обоснование. Поставьте карандаш на стол вертикально, нажмите на него, наклоните и наблюдайте характер его падения. При небольших углах наклона к вертикали карандаш не проскальзывает относительно поверхности стола при любой величине силы, прижимающей его к столу. Проскальзывание начинается с некоторого критического угла, зависящего от силы трения.

Записывая второй закон Ньютона в проекциях на координатные оси при угле наклона, равном критическому (силой тяжести mg, действующей на карандаш, по сравнению с большой силой F пренебрегаем):

Рисунок 23- Карандаш и действующие на него силы

(16)

(17)

Обработка результатов.

1.Рассчитайте по формуле значение коэффициента трения скольжения дерева о дерево.

2. Определите погрешность измерений.

3. Запишите полученный ответ с учётом допущенных погрешностей измерений.

  4. Сделайте вывод.                    

Экспериментальный расчет

        1. Обработка результатов.

 α=260,  µ=0,4900

                                  tgα=sin/cos

                             tg= 0,0144+0,0189=0,0003

                              tg×

 2. Погрешность измерений. ∆µ=0,0003×0,4900=0,00015                             

Вывод:

1. Коэффициент трения равен  0,49000

2.  Погрешность измерения равна  0,00015

3.3.5. Методические рекомендации

Обогащением понятия в процессе его формирования принято называть выявление новых существенных свойств (сторон) объектов, отражаемых в сознании с помощью иного понятия. Методы (этапы обучения), соответствующие обогащения понятия, называют узловыми точками в развитии понятий.

Данные лабораторные работы показывают разные варианты нахождения коэффициента трения, обогащая понятие «сила трения». Кроме того, они развивают у учащихся творческое мастерство и умение действовать четко и аккуратно. Работы целесообразно выполнять в 10-м классе, но можно проводить в 7-м классе, в зависимости от способностей учащихся.

Работа выполняется на однотипном оборудовании и всеми учащимися, занимает (15-20 минут). В конце урока обязательное коллективное обсуждение результатов.

При выполнении  лабораторных работ, учитель кроме обеспечения этапа формирования понятия реализует дополнительно цели:

1. знакомство с методами измерений

2. формирование обобщенного умения проводить физические измерения

3. формирование обобщенного умения проводить экспериментальную проверку физических закономерностей

     Классификация по дидактическим целям:

1. Наблюдение и изучение физических явлений

2. Знакомство с физическими приборами и измерениями по ним.

3. Проверка физических закономерностей

4. Определение физических констант (коэффициент трения)

      Схема проведения лабораторной работы:

1. Вступительная беседа

2. Проведение эксперимента

3. Обработка результатов

4. Выводы

5. Обобщение выводов учащихся, формирования вывода об общей закономерности.

На вступительной беседе должно оговариваться:

как оформить работу, класс разделить на бригады по два человека, инструкция (есть ход выполнения работы), отчет (в этом случае относительная, учитель заранее должен знать какая погрешность должна получиться).

Критерии оценивания:

1. Степень самостоятельности (по наблюдению)

2. Грамотность оформления

Таблица 1 – Перечень лабораторных работ

Критерии оценки: