Лабораторная работа «Определение коэффициента трения скольжения»
Цели и задачи
- Цель: за 45 минут экспериментально определить коэффициент трения скольжения для деревянного бруска по горизонтальной поверхности, обработать результаты измерений и оценить погрешность полученного значения.
- Проверить зависимость силы трения скольжения от силы нормальной реакции опоры и применить формулу $F_{тр}=\mu N$.
- Научиться собирать экспериментальную установку, измерять силу тяги динамометром и силу давления бруска на опору.
- Освоить обработку серии измерений: вычисление коэффициента трения для каждого опыта, среднего значения и абсолютной погрешности.
- Развивать навыки безопасной работы с оборудованием, сотрудничества в группе и аргументированного представления результатов; снизить тревожность перед практическими заданиями ОГЭ по физике.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознавать практическую значимость измерения сил трения для транспорта, техники и быта.
- Проявлять ответственное отношение к точности измерений и достоверности научного результата.
- Оценивать собственную готовность к выполнению экспериментальных заданий, в том числе заданий практико-ориентированного характера ОГЭ.
- Соблюдать правила безопасной работы и уважительно относиться к результатам измерений одноклассников.
Метапредметные
- Извлекать информацию из инструкции, формулы и таблицы результатов, преобразовывать её в последовательность действий.
- Планировать эксперимент, распределять роли в группе и контролировать выполнение каждого шага.
- Сравнивать результаты трёх опытов, выявлять причины расхождений и формулировать вывод на основе данных.
- Представлять результаты измерений в таблице и устно аргументировать достоверность вывода.
Предметные
- Знать, что коэффициент трения скольжения характеризует взаимодействие соприкасающихся поверхностей и является безразмерной величиной.
- Уметь определять силу трения по показанию динамометра при равномерном движении бруска.
- Уметь рассчитывать коэффициент трения по формуле $\mu=\frac{F_{тр}}{N}$, принимая при горизонтальном движении $N=mg$.
- Уметь вычислять среднее значение коэффициента трения и оценивать абсолютную погрешность результата.
- Владеть навыком оформления лабораторной работы: цель, оборудование, ход работы, таблица измерений, вычисления, вывод.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личную ответственность за точность измерений и достоверность вывода.
- Связывают изучаемый закон с профессиональными задачами инженера, конструктора и техника.
- Оценивают собственные затруднения без страха ошибки, понимая её как источник коррекции действий.
- Проявляют готовность соблюдать правила безопасного поведения при выполнении эксперимента.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель эксперимента и составляют последовательность измерений по инструкции.
- Распределяют время и роли в группе: исполнитель, наблюдатель, вычислитель, оформитель.
- Сверяют показания приборов с ценой деления и проверяют единицы измерения в формулах.
- Корректируют способ измерения, если движение бруска неравномерное или динамометр расположен под углом.
Познавательные УУД
- Устанавливают связь между равномерным движением бруска и равенством силы тяги силе трения.
- Применяют физическую модель $N=mg$ для горизонтальной поверхности.
- Обрабатывают числовые данные, вычисляют среднее значение и абсолютную погрешность.
- Анализируют возможные источники погрешности и отделяют случайные отклонения от систематических.
Коммуникативные УУД
- Распределяют обязанности и согласовывают действия при проведении измерений.
- Формулируют вопросы по инструкции и уточняют непонятные этапы до начала опыта.
- Сравнивают результаты групп, корректно аргументируют расхождения.
- Представляют общий вывод группы, опираясь на числа из таблицы.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить на каждую группу деревянный брусок с крючком, динамометр, горизонтальную деревянную поверхность, линейку и набор грузов массой 100–200 г.
- Проверить исправность динамометров, определить цену деления и нанести на доску напоминание: $F_{тр}=\mu N$, $N=mg$, $\mu=\frac{F_{тр}}{N}$.
- Разложить оборудование на 4–5 рабочих мест; на каждом месте разместить инструкцию и карточку техники безопасности.
- Распечатать бланки лабораторной работы — по одному на каждого ученика, а таблицу измерений — по одной на группу.
- Вывести на экран пример заполнения таблицы с числами: $m=0{,}50$ кг, $N=5$ Н, $F_{тр}=1{,}5$ Н, $\mu=0{,}30$.
- Подготовить карточки с контрольными вопросами в формате ОГЭ: условие равномерного движения, расчёт силы трения, выбор причины погрешности.
- Подготовить таймер на 8 минут для экспериментальной части и стикеры трёх цветов для рефлексии.
- Освободить рабочие поверхности, проверить устойчивость оборудования и напомнить правила: не тянуть динамометр рывком, не допускать падения грузов, после опыта вернуть приборы на место.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и инструктаж по технике безопасности (4 мин)
Цель этапа: организовать безопасную работу групп и подготовить оборудование к проведению эксперимента.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс: "Сегодня вы работаете как настоящие экспериментаторы. Проверьте, что на столе есть тетрадь, ручка, бланк лабораторной работы и оборудование. Ничего не начинаем измерять, пока не услышим инструкцию полностью." | Проверяют комплектность рабочего места, записывают дату и тему лабораторной работы. |
2 мин | Учитель показывает брусок, динамометр и грузы: "Тянем динамометр строго горизонтально, без рывков. Брусок должен двигаться равномерно. Не допускайте падения грузов и не растягивайте пружину за пределы шкалы. Если прибор неисправен, сразу поднимите руку." | Рассматривают установку, называют правила безопасности: "Тянуть плавно", "Не перегружать динамометр", "Работать только по инструкции". |
1 мин | Учитель распределяет роли: "В каждой группе назначьте измерителя, наблюдателя, вычислителя и оформителя. Роли можно сменить после первого опыта. Наша задача — получить не одно случайное число, а серию измерений." | Распределяют роли, проверяют нулевое положение динамометра и готовят таблицу результатов. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Оборудование проверено, роли распределены, правила безопасности понятны. Теперь выясним, какие физические величины нужно измерить и почему именно равномерное движение позволит определить силу трения."
Этап 2. Инструктаж по физической модели и планирование опыта (6 мин)
Цель этапа: связать наблюдаемое равномерное движение с формулой определения коэффициента трения и составить план эксперимента.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель обращается к классу: "На брусок действуют сила тяжести, реакция опоры, сила тяги и сила трения. Если брусок движется равномерно, равнодействующая горизонтальных сил равна нулю. Что тогда можно сказать о силе тяги и силе трения?" | Обсуждают ответ в парах и формулируют: "При равномерном движении сила тяги по модулю равна силе трения". |
2 мин | Учитель записывает на доске: $F_{тр}=\mu N$, $N=mg$, затем поясняет: "Показание динамометра при равномерном движении принимаем за $F_{тр}$. Массу бруска измеряем или берём с маркировки. На горизонтальной поверхности $N=mg$. Поэтому коэффициент найдём делением силы трения на силу нормальной реакции." | Переписывают формулы, называют единицы: сила — ньютон, масса — килограмм, коэффициент трения — безразмерная величина. |
2 мин | Учитель показывает на экране таблицу: "Внесите в бланк отдельные столбцы: масса, сила реакции опоры, сила трения, коэффициент трения. Проведём три опыта с разной нагрузкой и проверим, близки ли значения коэффициента." | Составляют план: измерить массу, рассчитать $N$, плавно тянуть брусок, записать $F_{тр}$, вычислить $\mu$, повторить опыт и найти среднее значение. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Запись в тетрадях
Записать: цель работы; формулы $F_{тр}=\mu N$, $N=mg$, $\mu=\frac{F_{тр}}{N}$; последовательность измерений: определить массу, установить груз, тянуть брусок равномерно, записать показание динамометра, вычислить коэффициент.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы определили, какие величины измеряем непосредственно и какие рассчитываем. Теперь переходим от плана к эксперименту: главное — плавное движение, правильный отсчёт и запись каждого числа сразу после измерения."
Этап 3. Проведение измерений (12 мин)
Цель этапа: получить серию экспериментальных данных для разных значений нагрузки.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель демонстрирует первый опыт: "Я ставлю брусок на поверхность, зацепляю динамометр и тяну строго горизонтально. Сначала будет короткий рывок, затем равномерное движение. Считываем показание в момент равномерного движения, а не максимальное значение при начале движения." | Наблюдают за демонстрацией, называют отличие силы трения покоя от силы трения скольжения, фиксируют способ отсчёта. |
8 мин | Учитель запускает таймер и говорит: "Выполните три опыта. В первом используйте только брусок, во втором добавьте один груз, в третьем — два груза. В каждом опыте сделайте два плавных протягивания и выберите показание, соответствующее равномерному движению. Если числа отличаются, запишите оба и обсудите причину." | Измеряют массу системы, вычисляют $N$, дважды протягивают брусок, записывают показания динамометра и выбирают среднее значение силы трения. Заполняют таблицу. |
2 мин | Учитель обходит группы и уточняет: "Покажите, где в таблице указана масса, где сила реакции опоры и где сила трения. Динамометр должен быть параллелен поверхности. Не заменяйте измерение догадкой." | Проверяют горизонтальность динамометра, единицы измерения и полноту записей. Задают вопросы при расхождении показаний. |
Таблица результатов измерений
№ опыта | m, кг | N=mg, Н | Fтр, Н | μ=Fтр/N |
|---|---|---|---|---|
1 | 0,50 | 5,0 | 1,5 | 0,30 |
2 | 0,70 | 7,0 | 2,1 | 0,30 |
3 | 0,90 | 9,0 | 2,7 | 0,30 |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Серия измерений получена. Обратите внимание: сила трения увеличивается с нагрузкой, но отношение $F_{тр}/N$ должно оставаться примерно постоянным. Теперь обработаем данные и проверим это численно."
Этап 4. Обработка результатов и вычисление погрешности (8 мин)
Цель этапа: вычислить значения коэффициента трения, среднее значение и абсолютную погрешность измерения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает пример: "Для первого опыта $\mu_1=\frac{1{,}5}{5{,}0}=0{,}30$. Аналогично найдите $\mu_2$ и $\mu_3$. Не забывайте: коэффициент трения не имеет единицы измерения." | Вычисляют три значения коэффициента, записывают промежуточные действия и сверяют результат с соседней группой. |
3 мин | Учитель задаёт алгоритм: "Найдите среднее значение по формуле $\mu_{ср}=\frac{\mu_1+\mu_2+\mu_3}{3}$. Для простой оценки абсолютной погрешности используйте полуразность максимального и минимального значений: $\Delta\mu=\frac{\mu_{max}-\mu_{min}}{2}$. Запишите результат в виде $\mu=\mu_{ср}\pm\Delta\mu$." | Рассчитывают среднее значение, определяют максимальное и минимальное значения, находят погрешность и оформляют окончательный результат. |
2 мин | Учитель проводит самопроверку: "Сравните свой результат с эталоном на доске. Если все три числа одинаковы, оценочная погрешность равна нулю по этой формуле, но в реальном опыте остаются инструментальная и методическая погрешности. Назовите хотя бы одну." | Сверяют вычисления, исправляют ошибки, называют причины: неровность поверхности, рывок, неточный отсчёт, наклон динамометра. |
Эталон решения
Для данных таблицы: $\mu_1=1{,}5/5{,}0=0{,}30$; $\mu_2=2{,}1/7{,}0=0{,}30$; $\mu_3=2{,}7/9{,}0=0{,}30$. Среднее значение: $\mu_{ср}=(0{,}30+0{,}30+0{,}30)/3=0{,}30$. Оценочная абсолютная погрешность: $\Delta\mu=(0{,}30-0{,}30)/2=0$. В реальной записи следует указать, что нулевая разность серии не отменяет погрешность динамометра и неточность выполнения равномерного движения.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы обработали измерения и получили численное значение коэффициента трения. Следующий шаг — сформулировать физический вывод, а затем проверить себя коротким заданием в формате ОГЭ."
Этап 5. Анализ результата и практическое закрепление (6 мин)
Цель этапа: проверить понимание зависимости силы трения от нагрузки и применить алгоритм к новой ситуации.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель предлагает задачу: "Брусок массой 0,4 кг равномерно тянут по горизонтальной поверхности с силой 1,2 Н. Определите коэффициент трения, считая $g=10$ Н/кг. Запишите решение по шагам." | Записывают: $N=mg=0{,}4\cdot10=4$ Н; $\mu=F_{тр}/N=1{,}2/4=0{,}30$. Формулируют ответ: "Коэффициент трения равен 0,30". |
2 мин | Учитель спрашивает: "Если массу бруска увеличить в два раза, как изменится сила трения при том же коэффициенте? А изменится ли сам коэффициент для тех же поверхностей? Обоснуйте ответ формулой." | Отвечают: "Сила трения увеличится примерно в два раза, а коэффициент останется тем же, если поверхности и условия движения не изменились". |
1 мин | Учитель просит группы сформулировать вывод: "Используйте числа своей таблицы и завершите фразу: при увеличении нормальной реакции..." | Формулируют вывод: "При увеличении $N$ сила трения возрастает, а отношение $F_{тр}/N$ остаётся примерно постоянным". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы не просто получили число, а проверили физическую закономерность на опыте. Осталось оценить качество работы, отметить затруднения и сдать оформленный бланк."
Этап 6. Рефлексия и сдача результатов (5 мин)
Цель этапа: выявить степень освоения алгоритма, осознать качество групповой работы и зафиксировать вопросы для дальнейшего обучения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт стикеры и говорит: "Используем приём «Светофор». Зелёный — могу самостоятельно собрать установку и рассчитать $\mu$; жёлтый — понимаю алгоритм, но ошибаюсь в измерениях или вычислениях; красный — нужна помощь. На обратной стороне допишите один конкретный вопрос." | Выбирают цвет стикера, записывают вопрос или затруднение и прикрепляют стикер на доску в соответствующую колонку. |
2 мин | Учитель задаёт вопросы: "Что в опыте измеряли непосредственно? Почему движение должно быть равномерным? Какая типичная ошибка может увеличить показание динамометра?" | Отвечают: "Силу тяги и массу"; "Чтобы сила тяги была равна силе трения"; "Рывок или наклон динамометра". |
1 мин | Учитель принимает бланки: "Передайте работу с заполненной таблицей, вычислениями, выводом и самооценкой. Проверьте, чтобы в выводе были и численное значение коэффициента, и связь силы трения с нормальной реакцией." | Сдают бланки, возвращают оборудование на обозначенные места, проверяют отсутствие грузов на краю стола. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Сегодня вы выполнили полный цикл физического исследования: спланировали опыт, измерили величины, обработали числа и оценили результат. Ваши вопросы со стикеров помогут нам начать следующий урок с точечной коррекции затруднений."
Критерии оценивания практической работы
- «5» — установка собрана безопасно, выполнена серия не менее чем из трёх измерений, таблица заполнена полностью, вычисления $N$, $\mu_{ср}$ и погрешности выполнены верно, вывод содержит численное значение коэффициента и подтверждает зависимость силы трения от нагрузки.
- «4» — эксперимент проведён и таблица заполнена, но допущена одна вычислительная или оформительская ошибка, не повлиявшая на общий физический вывод.
- «3» — получены основные показания и записана формула коэффициента, но есть две существенные ошибки в обработке данных или вывод сформулирован неполно; работа выполнена с помощью учителя.
- «2» — измерения не завершены, отсутствуют таблица или вычисления, физический вывод не подтверждён данными.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что в эксперименте вы измеряли непосредственно, а что рассчитывали? | Проверка понимания структуры физического эксперимента и различия измеряемых и вычисляемых величин. |
Почему брусок нужно тянуть равномерно и горизонтально? | Выявление понимания условия $F_{тр}=F_{тяги}$ и возможных методических ошибок. |
Какое действие при обработке таблицы оказалось самым сложным? | Выявление точек затруднения в вычислении среднего значения и погрешности. |
Насколько уверенно вы теперь выполните подобное практико-ориентированное задание ОГЭ? | Субъективная оценка освоения алгоритма и уровня учебной тревожности. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы выполнили полноценное экспериментальное исследование коэффициента трения скольжения. Мы увидели, что при увеличении нагрузки сила трения возрастает, а отношение силы трения к нормальной реакции остаётся примерно постоянным. Самая частая ошибка — измерять максимальную силу при рывке вместо силы при равномерном движении. На следующем уроке мы разберём, как погрешности приборов влияют на итоговый результат и как оформлять экспериментальные задания в формате ОГЭ."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Оформить или завершить отчёт по лабораторной работе: цель, оборудование, формулы, таблица из трёх опытов, вычисление $\mu$ и вывод. | Закрепляет алгоритм оформления эксперимента; при проверке обратить внимание на единицы, последовательность вычислений и связь вывода с числами. |
Средний (повышающий) | Решить 3 задачи на определение коэффициента трения по известным массе и силе равномерной тяги, используя разные числовые данные. | Закрепляет применение формул $N=mg$ и $\mu=F_{тр}/N$; проверить перевод массы в килограммы и отсутствие единиц у коэффициента. |
Продвинутый (дополнительный) | Составить краткий план опыта, позволяющего сравнить коэффициенты трения для двух материалов, указать независимую, зависимую и постоянные величины, а также два источника погрешности. | Развивает навыки планирования исследования и анализа переменных; при проверке оценить воспроизводимость и безопасность предложенной методики. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Как связаны сила трения и сила тяги при равномерном движении?», «По какой формуле вычисляется коэффициент трения?», «Почему коэффициент трения не имеет единицы измерения?», «Назовите одну причину расхождения результатов двух измерений».
