Определение коэффициента трения скольжения
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока научиться экспериментально определять коэффициент трения скольжения для выбранной пары поверхностей, рассчитывать его по результатам измерений и оценивать достоверность полученного значения.
- Сформировать умение устанавливать связь между силой трения, силой нормальной реакции опоры и коэффициентом трения скольжения.
- Научиться планировать эксперимент, выбирать необходимые измерительные приборы, фиксировать результаты в таблице и выполнять расчёты с единицами физических величин.
- Развивать навыки парной работы, анализа экспериментальных данных, проверки результата по справочным сведениям и аргументированной оценки погрешностей.
- Воспитывать аккуратность при проведении измерений, ответственность за безопасность и осознание практического значения трения в технике и быту.
Планируемые результаты
Личностные
- Проявляют познавательный интерес к экспериментальному изучению механических явлений и их применению в технике.
- Осознают значение точности измерений и добросовестной обработки данных для получения научно обоснованного результата.
- Проявляют ответственность за распределение ролей в паре и соблюдение правил безопасной работы.
- Связывают изучаемый способ исследования с инженерными, техническими и естественно-научными профессиями.
Метапредметные
- Планируют последовательность эксперимента, выделяют измеряемые величины и контролируемые условия.
- Работают с текстом учебника, извлекают формулу и инструкцию, преобразуют информацию в план практической работы.
- Фиксируют результаты в таблице, выполняют вычисления, сравнивают полученное значение со справочным диапазоном.
- Формулируют вывод на основе данных, выявляют источники погрешности и предлагают способы улучшения эксперимента.
Предметные
- Знать физический смысл коэффициента трения скольжения и формулу $F_{тр} = \mu N$.
- Уметь определять силу трения динамометром при равномерном движении бруска по горизонтальной поверхности.
- Уметь вычислять коэффициент трения по формуле $\mu = \frac{F_{тр}}{N}$, учитывая, что на горизонтальной поверхности $N = mg$.
- Уметь проводить несколько измерений, находить среднее значение коэффициента трения и формулировать экспериментальный вывод.
- Владеть навыками оформления таблицы измерений и оценки основных источников погрешности.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Осмысливают практическую ценность изучения трения для транспорта, спортивного инвентаря и безопасной эксплуатации механизмов.
- Проявляют готовность к самостоятельному выбору способа проверки гипотезы.
- Оценивают собственный вклад в общий результат парной работы.
- Формируют ответственное отношение к точности и честности экспериментальных данных.
Регулятивные УУД
- Принимают и уточняют цель лабораторного исследования.
- Планируют порядок действий: подготовка установки, измерение массы и силы трения, расчёт, повторная проверка.
- Осуществляют самоконтроль равномерности движения и правильности записи единиц измерения.
- Сравнивают результат с ожидаемым, находят причины расхождений и предлагают коррекцию действий.
Познавательные УУД
- Выделяют из текста учебника физические величины, необходимые для определения коэффициента трения.
- Устанавливают причинно-следственную связь между силой нормальной реакции и силой трения.
- Строят математическую модель эксперимента $\mu = \frac{F_{тр}}{mg}$.
- Анализируют таблицу результатов, вычисляют среднее значение и выявляют выбросы или сомнительные измерения.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре: оператор установки, измеритель, наблюдатель и оформитель с последующей сменой ролей.
- Согласовывают способ выполнения опыта и аргументируют выбор измерений.
- Задают уточняющие вопросы при работе с инструкцией и учебником.
- Представляют результат пары, корректно сравнивают его с результатами других групп.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую пару динамометр, брусок с крючком, набор грузов, горизонтальную деревянную поверхность и полоску другого материала для сравнения.
- Проверить исправность динамометров и соответствие их цены деления диапазону предполагаемых измерений.
- Распечатать инструкцию практической работы и таблицу результатов по одной на каждого ученика.
- Подготовить карточки трёх уровней сложности: базовую с пошаговым алгоритмом, повышающую с самостоятельным планированием и дополнительную с анализом погрешности.
- Вывести на доску формулы $F_{тр} = \mu N$, $N = mg$, $\mu = \frac{F_{тр}}{mg}$ и критерии равномерного движения.
- Разместить на отдельном листе правила безопасности: не тянуть динамометр рывком, не направлять крючок на человека, аккуратно укладывать грузы.
- Подготовить краткую таблицу для сравнения экспериментального результата со справочными значениями коэффициента трения для дерева, пластика и металла.
- Подготовить проектор или интерактивную доску для демонстрации схемы установки и итоговой таблицы результатов.
- Организовать рабочие места так, чтобы в каждой паре были свободная поверхность, тетрадь, калькулятор и ручка.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую работу и обозначить практическую значимость определения коэффициента трения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на столе брусок, динамометр и поверхность: "Здравствуйте, ребята. Сегодня мы не будем просто подставлять числа в готовую формулу. Мы выступим в роли исследователей и сами определим, насколько сильно взаимодействуют две поверхности. Посмотрите на установку: почему один и тот же брусок по разным поверхностям тянется с разным усилием?" | Рассматривают установку, формулируют предположения: "Поверхности имеют разную шероховатость", "Сила трения зависит от материала". |
2 мин | Учитель сообщает тему и задаёт проблемный вопрос: "Сегодня мы определим коэффициент трения скольжения экспериментально. В конце урока вы должны будете не только получить число, но и доказать, что ваш результат имеет физический смысл. Подумайте: какие величины нужно измерить, чтобы найти коэффициент?" | Записывают тему, предлагают измерять силу трения, массу бруска и, возможно, силу реакции опоры. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы выяснили, что трение зависит от характера соприкасающихся поверхностей. Теперь вспомним, какие законы и величины позволят превратить наблюдение в измеряемый физический результат."
Этап 2. Актуализация знаний и работа с учебником (5 мин)
Цель этапа: восстановить формулы и условия, необходимые для планирования опыта.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель просит открыть учебник на теме о силах трения: "Найдите в тексте определение силы трения скольжения и формулу, связывающую её с силой нормальной реакции. Прочитайте формулу глазами, а затем объясните, что обозначает каждый символ." | Работают с текстом учебника, находят формулу $F_{тр} = \mu N$, записывают обозначения: $F_{тр}$ — сила трения, $\mu$ — коэффициент трения, $N$ — сила реакции опоры. |
2 мин | Учитель задаёт вопросы: "Какие силы действуют на брусок при движении по горизонтальной поверхности? Чему равна сила реакции опоры, если вертикального ускорения нет? Что означает равномерное движение?" | Отвечают: "Сила тяжести, реакция опоры, сила тяги и сила трения"; "На горизонтальной поверхности $N = mg$"; "Скорость постоянна, равнодействующая сил равна нулю". |
1 мин | Учитель предлагает приём "Подумай — обсуди в паре": "Сначала 30 секунд запишите индивидуально, какие величины потребуется измерить. Затем обсудите ответ с соседом и выберите общий вариант." | Индивидуально записывают величины, затем обсуждают в парах и формулируют общий ответ: массу и силу трения. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Формула известна, но пока не определён способ измерения входящих в неё величин. Следующий шаг — понять, где именно возникает затруднение и как построить установку."
Этап 3. Выявление проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать экспериментальную задачу и критерии корректного измерения силы трения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует попытку резко потянуть брусок и затем плавно тянет его равномерно: "В первом случае показание динамометра меняется рывком. Во втором оно почти постоянно. Какое показание следует использовать? Почему нельзя просто потянуть брусок как можно сильнее?" | Сравнивают два движения и отвечают: "Нужно измерять силу при равномерном движении, когда сила тяги равна силе трения". |
2 мин | Учитель фиксирует на доске план исследования: "Сформулируем цель по шагам: собрать установку, измерить массу, привести брусок в равномерное движение, записать силу тяги как силу трения, повторить измерение и вычислить среднее значение коэффициента. Какие ошибки могут повлиять на результат?" | Предлагают источники ошибок: рывок, наклон поверхности, неверное считывание шкалы, изменение траектории, неодинаковая скорость. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Проблема решаема, если мы обеспечим горизонтальность поверхности и равномерное движение. Теперь каждая пара проверит это экспериментально и получит собственное значение коэффициента."
Этап 4. Открытие способа определения коэффициента (6 мин)
Цель этапа: вывести алгоритм опыта и подготовить учащихся к самостоятельному практическому измерению.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает схему установки на доске: брусок соединён с динамометром, движение происходит по горизонтальной поверхности. Реплика: "Если брусок движется равномерно, силы по горизонтали уравновешены. Значит, показание динамометра равно силе трения. По вертикали ускорения нет, поэтому $N = mg$. Подставим это в основной закон: $\mu = \frac{F_{тр}}{mg}$." | Перерисовывают схему установки, записывают цепочку рассуждений и формулу $\mu = \frac{F_{тр}}{mg}$. |
3 мин | Учитель раздаёт инструкцию и проговаривает алгоритм: "Сначала измерьте массу бруска с грузами. Затем положите его на поверхность, расположите динамометр горизонтально и тяните без рывков. Зафиксируйте показание во время равномерного движения. Повторите измерение не менее трёх раз. После этого замените поверхность или добавьте груз, если это предусмотрено вашей карточкой." | Читают инструкцию, распределяют роли в паре, задают уточняющие вопросы, готовят таблицу измерений. |
Запись в тетрадях
Записывают: $F_{тр} = \mu N$; для горизонтальной поверхности $N = mg$; итоговая формула $\mu = \frac{F_{тр}}{mg}$. Алгоритм: измерить $m$; измерить $F_{тр}$ при равномерном движении; вычислить $\mu$; повторить измерения; найти среднее значение; оценить результат.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы получили не готовый ответ, а рабочую модель эксперимента. Сейчас главное — аккуратно выполнить измерения и не подменить силу трения случайным рывком динамометра."
Этап 5. Практическая работа в парах (12 мин)
Цель этапа: экспериментально измерить силу трения и определить коэффициент трения для выбранной пары поверхностей.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт карточки уровней и напоминает правила безопасности: "Проверьте, что крючок динамометра закреплён, шкала видна, поверхность лежит горизонтально. Один ученик медленно тянет брусок, второй следит за равномерностью движения и считывает показание. Через одно измерение поменяйтесь ролями." | Проверяют комплект оборудования, распределяют роли, записывают цену деления динамометра и массу бруска с грузами. |
5 мин | Учитель сопровождает базовые пары: "Тяните брусок строго горизонтально и без рывка. Не записывайте первое максимальное показание при срыве с места. Зафиксируйте три значения силы при равномерном движении. Если показания различаются, повторите опыт и объясните возможную причину." | Выполняют три измерения, записывают $F_{тр1}$, $F_{тр2}$, $F_{тр3}$, меняются ролями, контролируют равномерность движения. |
3 мин | Учитель предлагает повышающим парам сравнить две поверхности или два значения нормальной нагрузки: "Проверьте, изменится ли коэффициент при увеличении массы бруска. Отделите изменение силы трения от изменения коэффициента." | Проводят дополнительные измерения, сравнивают силу трения и рассчитанные коэффициенты, формулируют промежуточную гипотезу. |
2 мин | Учитель обращается к продвинутым парам: "Оцените абсолютный разброс результатов и предложите, какое измерение считать сомнительным. Обоснуйте, можно ли исключить его из среднего значения." | Вычисляют разброс, анализируют сомнительное измерение, записывают обоснование решения в таблице. |
Эталон решения
Например, при массе бруска $m = 0{,}50$ кг и измерениях $F_{тр1}=1{,}2$ Н, $F_{тр2}=1{,}1$ Н, $F_{тр3}=1{,}2$ Н: $F_{тр,ср} = \frac{1{,}2+1{,}1+1{,}2}{3} \approx 1{,}17$ Н. Сила реакции опоры $N = mg = 0{,}50 \cdot 9{,}8 = 4{,}9$ Н. Коэффициент трения $\mu = \frac{1{,}17}{4{,}9} \approx 0{,}24$. В выводе указывают пару поверхностей, среднюю силу трения и полученное значение коэффициента.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Измерения завершены. У каждой пары есть набор данных, но физический результат появляется только после расчёта и анализа. Теперь проверим вычисления и научимся объяснять расхождения между результатами групп."
Этап 6. Обработка данных и первичное закрепление (7 мин)
Цель этапа: закрепить алгоритм расчёта коэффициента трения и научиться делать вывод по таблице измерений.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель просит выполнить расчёт по эталонной последовательности: "Рассчитайте среднюю силу трения, затем силу реакции опоры и только после этого коэффициент. Подписывайте единицы измерения. Проверьте, что коэффициент трения не имеет единицы." | Вычисляют $F_{тр,ср}$, $N$ и $\mu$, оформляют промежуточные действия, выполняют взаимопроверку в парах. |
2 мин | Учитель организует приём "Две звезды и пожелание": "Обменяйтесь таблицами с соседней парой. Запишите две сильные стороны оформления и один конкретный совет по улучшению расчёта или вывода." | Проверяют таблицу соседней пары, отмечают корректную формулу и аккуратность данных, формулируют одно пожелание. |
2 мин | Учитель задаёт вопросы классу: "Почему коэффициент не равен силе трения? Что произойдёт с силой трения при увеличении массы? Должен ли при этом коэффициент обязательно измениться?" | Отвечают: "Коэффициент — безразмерная характеристика взаимодействия поверхностей"; "Сила трения увеличится вместе с нормальной реакцией"; "В идеальной модели коэффициент не зависит от нагрузки". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Алгоритм расчёта освоен, а взаимопроверка помогла увидеть типичные ошибки. Осталось каждому самостоятельно показать, что он умеет применять формулу и оценивать экспериментальный результат."
Этап 7. Самостоятельная работа с дифференциацией (5 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание способа определения коэффициента трения на заданиях разной сложности.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает выбрать уровень: "Базовый вариант: по данным опыта вычислите коэффициент. Повышающий: сравните два опыта и объясните изменение силы трения. Продвинутый: оцените, почему среднее значение может отличаться от табличного. Выберите посильный уровень, но продвинутый вариант можно выполнить дополнительно." | Выбирают карточку, самостоятельно решают задание, записывают формулу и ход вычислений. |
2 мин | Учитель выводит на доску эталонные ответы и предлагает самопроверку: "Сначала проверьте формулу, затем подстановку, затем округление. Ошибку не стирайте сразу: подчеркните место, где возникло затруднение." | Сверяют решение с эталоном, отмечают совпадения и исправляют ошибки с пояснением. |
1 мин | Учитель проводит быстрый приём "Светофор": "Зелёная карточка — могу сам определить коэффициент; жёлтая — понимаю формулу, но нужна помощь с экспериментом; красная — не понимаю, как связать силу трения и массу." | Поднимают карточку соответствующего цвета, фиксируют в листе самооценки, какой шаг требует повторения. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, что формулу можно применить по-разному: вычислить, сравнить, объяснить. Завершим урок рефлексией и сформулируем, какой результат получен каждой парой."
Этап 8. Рефлексия и домашнее задание (3 мин)
Цель этапа: осознать способ действия, оценить качество эксперимента и определить направление дальнейшей работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель просит заполнить билет на выход: "Запишите одним предложением, как определить коэффициент трения скольжения, и укажите одну причину расхождения результатов разных пар." | Пишут: "Нужно измерить силу трения при равномерном движении, разделить её на $mg$"; называют рывки, наклон поверхности или ошибку считывания. |
1 мин | Учитель задаёт вопрос: "Какая часть работы была наиболее важной для достоверности результата: выбор формулы, равномерное движение, повтор измерений или обработка данных? Обоснуйте ответ." | Формулируют личный вывод: чаще выбирают равномерное движение и повторные измерения, приводят аргументы. |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание и завершает урок: "Сохраните таблицу измерений. На следующем занятии мы используем экспериментальные данные для более подробного разговора о погрешностях и графическом представлении зависимости силы трения от нагрузки." | Записывают домашнее задание, сдают билеты на выход, убирают оборудование по инструкции. |
Критерии оценивания практической работы
- "5" — правильно собрана установка, выполнены не менее трёх измерений, корректно рассчитаны средняя сила трения, сила реакции опоры и коэффициент, таблица оформлена полностью, вывод содержит результат и объяснение основных источников погрешности.
- "4" — эксперимент проведён и расчёты в основном верны, но допущена одна неточность в округлении, оформлении единиц или формулировке вывода, не повлиявшая существенно на результат.
- "3" — получены измерения и выполнен основной расчёт по формуле, но имеются две существенные ошибки в обработке данных или выводе; ход работы позволяет понять, как ученик получил результат.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о способе определения коэффициента трения скольжения? | Проверка осознания алгоритма экспериментального определения коэффициента. |
Почему силу трения нужно измерять при равномерном движении? | Выявление понимания условия равновесия сил по горизонтали. |
Какая ошибка сильнее всего повлияла на результат вашей пары? | Выявление точек затруднения и качества анализа погрешностей. |
Что вы сможете выполнить самостоятельно на следующем уроке? | Субъективная оценка освоения темы и планирование дальнейшей поддержки. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы определяли коэффициент трения не по готовой таблице, а как экспериментаторы: планировали опыт, измеряли силу трения, обрабатывали данные и оценивали результат. Запомните типичную ошибку — нельзя принимать максимальное показание динамометра при срыве бруска с места за силу трения скольжения. Важно обеспечить равномерное движение и повторить измерение несколько раз. На следующем уроке мы разберём, как оценивать погрешность таких измерений и представлять зависимость силы трения от нагрузки."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Оформить отчёт по выполненному эксперименту: цель, оборудование, формулы, таблица не менее чем с тремя измерениями, расчёт среднего значения коэффициента и вывод. | Закрепляет алгоритм обработки практической работы; при проверке обратить внимание на формулу, единицы, среднее значение и соответствие вывода данным. |
Средний (повышающий) | Решить 3 задачи на применение формулы $F_{тр} = \mu mg$: определить силу трения по коэффициенту и массе, массу по силе трения, коэффициент по экспериментальным данным. | Формирует умение преобразовывать формулу и применять её в разных ситуациях; при проверке смотреть на запись исходных данных и преобразование формулы. |
Продвинутый (дополнительный) | Составить план исследования зависимости силы трения от массы бруска: указать независимую, зависимую и постоянные величины, предложить не менее четырёх точек измерения и способ представления результатов на графике. | Развивает исследовательское мышление и умение планировать эксперимент; при проверке оценивать корректность переменных, повторяемость измерений и обоснованность графика. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Какая формула используется для определения коэффициента трения? Почему на горизонтальной поверхности $N = mg$? Какое движение должно совершать тело во время измерения силы трения? Почему коэффициент трения не имеет единицы измерения?»
