對于新教材“摩擦力實驗”的改進
2008-12-31 00:00:00汪丹
物理教學探討 2008年9期
摘要：對于“摩擦力”演示實驗，教材中通常用彈簧測力計來拉木塊。本文提出了一種有效的改進措施，利用力傳感器代替彈簧測力計，由彈簧和步進電機提供均勻變化的水平拉力，在計算機屏幕上直接觀測摩擦力的整個變化過程。本實驗易于操作，可視面大，現(xiàn)象直觀。
關鍵詞：摩擦力；力傳感器；步進電機；計算機技術
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)5(S)-0053-3
引言
高中物理第一冊“摩擦力”一節(jié)的教學中，關于靜摩擦力的規(guī)律為:0≤f滑≤fmax，且最大靜摩擦力fmax大于相應條件下的滑動摩擦力f滑，不少同學表示很難理解。人教版教材設計的演示實驗是利用彈簧測力計來研究摩擦力的變化情況，該方法結構簡單、操作方便［1］。但實驗中用手拉彈簧，由于手的拉力不是均勻變化的，在拉動木塊時既要保證測力計始終水平又要使木塊勻速直線運動，很難做到，因此實驗現(xiàn)象不明顯，教學效果甚差［2］。
隨著科學技術的發(fā)展以及新課改的進行，要求把現(xiàn)代的技術和新方法應用到實驗教學中。傳感技術同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱。而傳感器是傳感技術的一個重要組成部分，它是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件［3］。本文提出利用力傳感器代替原有的彈簧測力計，由彈簧和步進電機提供均勻變化的水平拉力，重新設計實驗裝置，從而在計算機屏幕上直接觀測到摩擦力的整個變化過程。改造后的實驗可視面大，直觀簡便，使學生便于觀察、容易理解。
1 實驗方法
1.1 教材中的實驗
在摩擦力一節(jié)中，人教版第57頁有演示實驗，利用彈簧秤和木塊探究摩擦力的變化情況，課本的介紹如下：
把木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉動木塊，在拉力F增大到一定值之前，木塊不會運動。
在彈簧測力計的指針下輕塞一個小紙團，它可以隨指針移動，并作為指針到達最大位置的標記(圖1)。繼續(xù)用力，當拉力到達某一數(shù)值fmax時木塊開始移動，此時拉力會突然變小到f0。拉力變化示意圖見圖2所示［1］。
利用彈簧測力計進行研究，雖然儀器簡單，但操作要求較高，實驗時必須勻速拉動木塊，操作時很難做到，而且觀察不方便，在控制木塊勻速運動的時候還要讀數(shù)，許多學生都無法迅速準確地完成。教材畫出了摩擦力隨拉力變化的情況，但這個變化在學生自己動手利用彈簧進行實驗的過程中是很難直接觀察出來的。鑒于此，我們提出了以下兩種研究方法。
1.2 實驗方法一
整個裝置放于粗糙的水平桌面上，桌表面紋理應均勻，目的是為了使摩擦力恒定，得到穩(wěn)定的圖線。彈簧的功能是提供均勻變化的拉力，由于力傳感器放于光滑的玻璃板上，力傳感器與玻璃板間的摩擦力可以忽略不計，則彈簧的拉力大小近似等于物塊所受到的外力。步進電機的轉軸勻速轉動，使得和其相連的彈簧緩慢被拉長，通過力傳感器提供物塊均勻變大的外力。而這個拉力大小變化情況可以通過力傳感器轉化為電信號，輸入到計算機中，通過編制VB程序繪制圖線動態(tài)顯示摩擦力的整個連續(xù)變化過程。
1.3 實驗方法二
如圖4所示，將傳感器的左端固定在桌子上，右側與物塊相連，物塊放在小車上。將小車放于粗糙的水平桌面（表面紋理均勻）上。對小車而言，受到物塊的靜摩擦力及沙與沙桶通過繩子的拉力。由平衡條件及牛頓第三定律可得，利用沙漏增加沙桶的重力，從而改變物塊所受到的靜摩擦力，當小車開始運動之后，物塊受到滑動摩擦力，通過力傳感器及計算機技術顯示物塊所受到的摩擦力變化情況。
2 實驗過程及結果
下面以實驗方法一（圖3）為例，將實驗過程及相應結果描述如下：
2.1 實驗過程
①按圖示要求連接裝置，調節(jié)彈簧，使其水平并處于原長。
②打開計算機軟件，啟動步進電機，在物塊相對地面未滑動之前，觀察屏幕上圖線的變化情況，即為靜摩擦力大小的變化。
③步進電機轉軸轉動過程中，彈簧逐漸被拉長，物塊受到的水平拉力增大，當物塊恰要相對滑動時，觀察圖線所對應的值，即為最大靜摩擦力fmax。
④ 當物塊滑動起來以后，觀察此時圖線的變化情況，即為滑動摩擦力f滑。
2.2 實驗結果
由于實驗中先開啟軟件采集數(shù)據(jù)再啟動步進電機轉動，力傳感器對物塊沒有拉力（如圖5AB段）。步進電機的轉軸轉動過程中，轉軸對彈簧的拉力均勻變大，物塊開始運動之前，一直處于靜止狀態(tài)，根據(jù)二力平衡的知識，物體所受的靜摩擦力的大小應等于外力F的大小，所以靜摩擦力也是均勻變大（如圖5BC段）。但靜摩擦力的增大是有限度的，當達到最大靜摩擦力時物塊剛好開始運動。理論上圖線C點應立即降到D點，中間沒有一個連續(xù)變化過程，而實驗得到的圖象并不是突變的，這是由于物塊從靜止變?yōu)檫\動，運動狀態(tài)發(fā)生改變，其中必有一個加速過程，產(chǎn)生加速運動的合力是由拉力與滑動摩擦力的差值提供，此時傳感器顯示的是拉力大小，不是滑動摩擦力的大小。步進電機的轉軸是勻速轉動的，當物塊加速到與電機拉繩速度一致時，物塊勻速前進，此時力傳感器對物塊的拉力大小等于物塊所受的滑動摩擦力，傳感器顯示的是滑動摩擦力的大小。通過圖線的變化情況反映了摩擦力的整個變化過程。
此外，運行軟件出現(xiàn)的界面中設有菜單?！拔募辈藛慰梢员４鎸嶒灥玫降膱D象及相應實驗數(shù)據(jù)；“設置”菜單可以設置圖象的單位刻度；“開始實驗”菜單可啟動步進電機，保證電機的同步進行。
3 實驗改進前后比較
（1）原有實驗通過彈簧測力計顯示摩擦力的變化過程，可視面太小，后排學生根本無法觀察，改進后的實驗利用多媒體教室中現(xiàn)成的大屏幕投影，可視面大。
（2）改進后的實驗利用力傳感器及計算機技術實時顯示摩擦力的整個變化過程，以圖線方式記錄，摩擦力的變化過程一目了然，直觀明了，更便于學生理解，顯然有更好的教學效果。
（3）原有實驗操作要求高，只有有經(jīng)驗的教師方可拉出效果，學生參與度不高。改進后，使得過去條件下不易實施的實驗也能輕松完成，不僅可以教師演示而且學生也可參與。
4 結束語
改進后的實驗現(xiàn)象直觀、操作方便，便于學生理解。結合現(xiàn)代傳感技術和計算機技術，從而
讓學生接觸一些現(xiàn)代化的科技手段，提高學生實驗興趣，培養(yǎng)學生運用現(xiàn)代科技的能力。另外需要說明的是，本實驗中計算機得到的圖線是力傳感器中拉力隨時間變化的圖線，而教材中畫的是摩擦力隨拉力變化的圖線，橫坐標代表的物理量不同，這一點在演示過程中應向學生說明。
參考文獻：
［1］張大昌，張維善等.物理1必修［M］.第二版.北京：人民教育出版社，2006:57-58
［2］崔鎮(zhèn)林，何玉花，李姝革.摩擦力實驗的改進［J］.物理通報，2004(3)
［3］丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1999
(欄目編輯王柏廬)
