摩擦力演示裝置

劉召新

（余姚市第四中學(xué)，浙江 余姚315400）

1 引 言

摩擦力的教學(xué)是高中物理力學(xué)教學(xué)的一個難點，因為它是條件力，具有很強(qiáng)的抽象性，學(xué)生很難僅僅憑借自己的思維理解摩擦力．同時它又是具有重要性質(zhì)的力，對摩擦力的掌握情況會成為高中生力學(xué)分析的關(guān)鍵問題．用實驗去探究摩擦力是解決這一教學(xué)難點的最佳方法，不但符合了物理學(xué)研究的基本方法，而且符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律．根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗，經(jīng)反復(fù)嘗試，研制了集靜摩擦力和滑動摩擦力研究功能于一體的摩擦力演示儀，從而很好地解決了摩擦力教學(xué)過程中的實驗探究問題．本文就該演示儀的制作過程、各部分結(jié)構(gòu)功能和實際使用的情況進(jìn)行介紹．

2 實驗儀器的制作原理

自制摩擦力演示裝置根據(jù)摩擦力產(chǎn)生的條件，即物體間的接觸面粗糙，且存在彈力時，采取方法使物體間產(chǎn)生相對運(yùn)動趨勢，從而產(chǎn)生靜摩擦力；隨著運(yùn)動趨勢的加強(qiáng)，靜摩擦力逐漸增大至最大；物體間產(chǎn)生相對運(yùn)動后，轉(zhuǎn)化為滑動摩擦力．該裝置采用傳感器的直接輸出，所以結(jié)果直觀，實驗現(xiàn)象清晰明顯．實驗通過進(jìn)一步增大物重改變彈力的大小、改變接觸面和改變相對運(yùn)動的速度大小等條件的變化，可深入探究摩擦力．

3 實驗裝置的制作方法

將實驗滑塊與傳感器水平相連，放置于帆布所做的無接縫傳送帶上．傳送帶左端與轉(zhuǎn)輪緊密吸附在一起，當(dāng)手柄搖動時，轉(zhuǎn)輪通過與傳送帶間的摩擦力帶動傳送帶運(yùn)動，將以上各部分通過塑料外殼集中為一個整體，如圖1所示．

圖1 摩擦力演示裝置

4 裝置的主要結(jié)構(gòu)和功能介紹

1）數(shù)字面板將滑塊與傳送帶之間的摩擦力通過模擬電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號直接顯示出來．左邊的面板記錄最大靜摩擦力的數(shù)值，右邊的面板記錄滑動摩擦力的數(shù)值．

2）清零按鈕．每次實驗先利用該按鈕清零．

3）數(shù)字電路開關(guān)．控制數(shù)字電路的電源．

4）掛式連接桿．將實驗滑塊與傳感器電路連接，這種結(jié)構(gòu)不但方便于改變接觸面時的連接，而且消除了大部分干擾因素對本實驗的影響．

5）實驗滑塊．各個面的粗糙程度做成不同，并且在滑塊的面上預(yù)留可以放置砝碼的凹槽，避免砝碼從滑塊上脫落．

6）傳送帶．選用粗糙程度一致的無接縫布料，在手搖柄的帶動下產(chǎn)生與實驗滑塊之間的相對運(yùn)動趨勢和相對運(yùn)動．

7）手搖柄．通過手搖柄的轉(zhuǎn)動帶動傳送帶，之所以不采用電動機(jī)就是為了控制傳送帶由靜止到逐漸運(yùn)動，將靜摩擦力的產(chǎn)生過程呈現(xiàn)出來．

8）電池倉．采用2節(jié)1．5 V干電池．

5 實際教學(xué)中的探究過程

1）將本演示器放在水平桌面上，連接好實驗滑塊，打開電源，然后清零．

2）緩慢搖動轉(zhuǎn)輪手柄帶動傳送帶，使滑塊和傳送帶之間產(chǎn)生運(yùn)動趨勢，從而產(chǎn)生靜摩擦力，隨著運(yùn)動趨勢的加強(qiáng)，靜摩擦力也隨之逐漸增大，直至滑塊和傳送帶之間發(fā)生相對運(yùn)動．此過程靜摩擦力的大小可以通過瞬時值數(shù)字面板直觀地顯示出來，最大值數(shù)字面板記錄了該過程的最大靜摩擦力．

3）當(dāng)滑塊和傳送帶之間發(fā)生相對運(yùn)動之后，可以通過瞬時值數(shù)字面板反映出滑動摩擦力，同時與最大靜摩擦力進(jìn)行對比，容易得出最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力的結(jié)論．

4）改變傳送帶的運(yùn)動速度，觀察摩擦力的變化，可以探究出滑動摩擦力的大小與相對運(yùn)動速度無關(guān)．

5）在保證接觸面的粗糙程度一定的前提下，將實驗滑塊分別平放和側(cè)放，只改變接觸面積，重復(fù)步驟1），可以探究出滑動摩擦力的大小與接觸面積無關(guān)．

6）在保證接觸面的粗糙程度一定的前提下，通過在滑塊上方添加砝碼的方法增加滑塊與傳送帶之間的正壓力，可以探究出壓力越大，滑動摩擦力越大．

7）在正壓力一定的前提下，改變滑塊與傳送帶之間接觸面的粗糙程度，可以探究出滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度有關(guān)．

6 結(jié)束語

實驗裝置中結(jié)合了傳感器，將抽象的摩擦力變化過程直觀地以數(shù)字化顯示出來，實驗效果直觀，學(xué)生對摩擦力的產(chǎn)生條件和影響因素有了深入理解．同時利用該教具可全面探究靜摩擦力和滑動摩擦力的產(chǎn)生及演變過程，很好地將靜摩擦力的產(chǎn)生和變化過程和從靜摩擦力到滑動摩擦力的漸變過程反映出來，并且利用2個數(shù)字面板記錄摩擦力，很好地對比最大靜摩擦力和滑動摩擦力的大小關(guān)系．另外，本教具結(jié)構(gòu)緊湊，外型簡潔美觀，方便課堂演示實驗的教學(xué)．