改進“探究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實驗方案

張安　陳新光

摘 要：摩擦力是中學生難以掌握的知識點之一。在教師引導下，學生自主完成摩擦力的探究實驗是掌握該規(guī)律的重要途徑之一。本文針對教材中實驗方案設計和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析過程的不足，提出了一種實驗的改進方案，使之能在克服教材提供方案不足的同時，易于開展學生分組實驗，使數(shù)據(jù)分析更加科學，也能實現(xiàn)學生自主、合作、探究的學習方式，還提高了學生的信息處理能力。

關(guān)鍵詞：摩擦力；實驗方案；自主探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）4-0075-3

摩擦力是高中物理教學的重點和難點之一?；瑒幽Σ亮εc壓力大小存在什么關(guān)系，許多教材采用教師演示實驗方式引導學生來探究，并未安排學生通過分組實驗來進行自主探究，往往造成學生被動接受實驗結(jié)論，缺乏個人的實踐探究體驗。高中物理必修1（人教版）教材對該演示實驗采用的是利用彈簧測力計直接拉動木塊來研究摩擦力的變化情況，雖然方法簡單，易于操作。但是，實驗中用手拉動彈簧測力計，很難保證木塊做勻速直線運動，而且在運動過程中不易準確讀數(shù)，學生對實驗得出的結(jié)論也不太信服，教學效果較差。而高中物理1（司南版）教材雖然對該實驗進行了一些改進（裝置見圖1），固定彈簧測力計和木塊保持不動，拖動與之接觸的長木板。該改進方案仍然存在兩個方面的問題：①在拖動長木板過程中，水平拉伸的彈簧測力計由于自身重力作用而下垂，使得彈簧測力計上的拉桿或指針極易碰到彈簧秤的外殼，摩擦阻力容易導致彈力的測量誤差；②在接觸面不太平整的情況下，拉動木板時，彈簧會出現(xiàn)伸縮性變化，示數(shù)也會隨之變化，讀數(shù)也不太準確。

針對教材中設計方案的不足，有部分作者采用了繁瑣的改進方案[1，2]，或者借助力傳感器來取代傳統(tǒng)的彈簧秤[3，4，5]，但那些繁瑣的方案和昂貴的DIS實驗設備，反而會因麻煩和無法配置讓教師最終放棄實驗。也因如此，大多數(shù)教師只能停留于利用圖1裝置進行簡單演示實驗。與此同時，教材中采用人工手動作圖的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法，許多教師往往交代了“在實驗誤差允許范圍內(nèi)”便得到實驗正確結(jié)論。這種分析方法難以使人信服。鑒于以上問題的考慮，筆者對如圖1裝（司南版）實驗裝置進行一些簡單改進，并采用計算機軟件處理實驗數(shù)據(jù)。該方案既克服原有方案的不足，也易于開展學生分組實驗，實現(xiàn)學生的主動參與，自主探究，其數(shù)據(jù)分析過程也容易理解，令人信服，能促進教學目標的達成。

1 實驗方法

1.1 實驗儀器

彈簧測力計1只、帶有細線的小滑塊1塊、長約1 m的表面粗糙程度均勻的長木板1塊，裝有2個橫桿的鐵架臺1個，50 g砝碼若干，計算機1臺。

1.2 實驗原理

1.2.1 教材中的實驗方案

在《摩擦力》一節(jié)中，高中物理1（司南版）第71頁的“實驗與探究”介紹如下：彈簧測力計一端固定于P點，自由端系一細線與滑塊A水平連接。拉動長木板B，測力計讀數(shù)T等于A、B間的滑動摩擦力f，如圖1所示。

■

圖1 物理必修1（司南版）中測量

滑動摩擦力大小的實驗原理圖

利用該方案進行實驗探究，雖然儀器簡單，但實際操作過程中，彈簧測力計指針抖動嚴重；并且由于它自身重力作用，無法使細線處于水平狀態(tài)；而且測力計的指針或拉桿極易碰到外殼，引入不必要的實驗誤差。鑒于此，本文提出了一種實驗改進方案，希望可以克服這些不足。

1.2.2 改進的實驗方案

實驗裝置如圖2所示。整個裝置放于水平桌面上，將彈簧測力計豎直懸掛于鐵架臺的上橫桿上，自由端系一細線繞過光滑橫桿與滑塊A水平連接。調(diào)整光滑橫桿的高度使得細線與長木板平行，保證滑塊受到水平拉力作用。將細線的另一端掛在測力計上，調(diào)整測力計的位置，使得細線處于豎直狀態(tài)，保證測力計受到豎直向下拉力的作用。沿圖示v方向拖動長木板B，則測力計的讀數(shù)T等于A、B間的滑動摩擦力大小。

該實驗方案引入鐵架臺，將彈簧測力計豎直懸掛，很好地克服了教材中設計方案由于測力計自重下垂而引起的實驗誤差。鐵架臺的下橫桿是光滑橫桿，該處摩擦力較小，可忽略不計。

■

圖2 測量滑動摩擦力大小的改進方案圖

1.3 實驗過程

（1）在安裝實驗裝置之前，先用彈簧測力計稱出滑塊A的重力，并記錄數(shù)據(jù)于表1。

（2）按圖示要求連接裝置，調(diào)節(jié)測力計，使其處于豎直狀態(tài)，刻度盤面對操作者，且調(diào)整零刻度。

（3）將系有細線的滑塊A放于長木板B上，細線另一端繞過鐵架臺的光滑橫桿與測力計的自由端相連，且調(diào)整該橫桿的高度，使得細線與長木板平行。

（4）重新調(diào)整測力計位置，確保它受到豎直向下的拉力作用。

（5）沿圖示v方向拖動長木板B，待測力計指針穩(wěn)定后，讀取測力計讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。

（6）按照表格1設計的情況分別往滑塊A上增加2個、4個和6個50 g的砝碼，重復實驗步驟（5）的操作。

（7）數(shù)據(jù)處理。

可以按照教材中提供的實驗數(shù)據(jù)處理方法。但筆者建議該步驟可利用計算機Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)記錄、描點、畫曲線圖以及得到擬合曲線，并分析擬合曲線，得到滑動摩擦力大小與正壓力之間的關(guān)系。

（8）實驗完成，學生整理儀器。

2 實驗結(jié)果與討論

筆者利用本校現(xiàn)有的實驗器材，本節(jié)課內(nèi)容根據(jù)本文提供的改進方案，開展學生分組實驗教學，實驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理，效果良好。其中一組學生數(shù)據(jù)如圖3所示。

■

圖3 滑動摩擦力大小與正壓力關(guān)系的擬合曲線圖

由圖3可以明顯看到，f與正壓力N明顯成線性關(guān)系（R2=0.9999），實驗數(shù)據(jù)處理方便，結(jié)果明顯。圖中擬合曲線y=0.2173x+0.0028即f=0.2173N+0.0028。我們可以用一個參數(shù)代替斜率，即令μ=0.2173，同時令C=0.0028，則公式可改寫成f=μN+C。

對于C值的解釋：得到任何一個物理實驗規(guī)律都必須經(jīng)過無數(shù)次精確測量。經(jīng)科學家們的無數(shù)次精確測量，發(fā)現(xiàn)C值無限趨近于0，即在理想情況下，f與N成正比關(guān)系。另外，從摩擦力產(chǎn)生的條件來看，其中之一就是要有壓力的產(chǎn)生。若無壓力即N=0時，則也沒有摩擦力，即f=0，故C=0。由此可以得到滑動摩擦力大小與正壓力之間的關(guān)系f=μN。

在傳統(tǒng)教材中，針對該節(jié)內(nèi)容的實驗數(shù)據(jù)分析，往往是得到數(shù)據(jù)后，通過手工描點、畫圖，得到一條直線，就說明在誤差允許范圍內(nèi)f與N成正比關(guān)系。筆者認為，通過實驗數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)，進而引導學生分析，得到滑動摩擦力的公式比傳統(tǒng)分析方法更加具有說服力，同時也培養(yǎng)學生能夠利用已學過的知識來分析、解決物理問題的能力。

另外，對于引入的參數(shù)μ，引導學生觀察表格數(shù)據(jù)和圖像斜率，對比T/N的比值與斜率的大小關(guān)系。通過對比不難發(fā)現(xiàn)，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，T/N的比值等于斜率大小。同時，再通過改變木塊與長木板的接觸材料，如：在木塊底部貼上木料等，重復以上實驗和數(shù)據(jù)處理，觀察表格T/N的比值和圖像斜率μ的變化，引導學生得到接觸面的粗糙程度不同直接引起斜率μ值不同的結(jié)論，并且接觸面越粗糙，斜率μ值越大。在物理學中，我們將T/N的比值和斜率μ定義為動摩擦因數(shù)。從實驗數(shù)據(jù)處理中，引導學生學會分析f-N圖像，并理解斜率的大小即為動摩擦因數(shù)。

4 結(jié)束語

本文提出的實驗改進方案能夠克服教材中所提供方案的不足之外，儀器準備簡單，操作方便，便于學生分組實驗，獲得真實體驗；實驗數(shù)據(jù)分析更加科學，便于學生理解，教學效果更加理想。引入計算機軟件開展實驗數(shù)據(jù)處理，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，也實現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與物理課程的整合。

另外，本改進方案需要說明的是：

1）實驗裝置中的鐵架臺光滑橫桿可以用定滑輪替代；

2）該方案操作過程較多，建議兩個或兩個以上學生配合完成，同時要求拖動木板的學生為了合理有效地利用木板長度，該同學不宜過快拖動；

3）利用該方案完成學生分組實驗時，必須跟學生分析清楚摩擦力的方向問題；

4）利用計算機Excel軟件或者Origin軟件進行數(shù)據(jù)處理，對授課教師提出更高的要求。

參考文獻：

[1]王文祥，王碩軍，弭寶國. 對摩擦力演示實驗的改進[J]. 教學與管理，2011，（18）：139.

[2]曹開錚.“探究影響摩擦力因素實驗”的改進方案[J].物理教學探討， 2009，（3）：61.

[3]章強，龐惠華.“摩擦力”實驗設計的改進[J].物理教師，2012，（11）：39.

[4]趙燕君.用DIS進行滑動摩擦力實驗演示[J].物理教學，2010，（7）：27.

[5]鄒方云.用力學傳感器對摩擦力進行的實驗研究[J].教學儀器與實驗， 2007，（01）：15.

（欄目編輯 鄧 磊）