一種探究影響摩擦力因素的實驗演示儀器

馬蘭 代偉 李燕秋 段晨靚 李青 黃軍

摘 要：實驗是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，教學(xué)中一個好的實驗儀器對于提高教學(xué)效果至關(guān)重要。探究影響摩擦力因素的實驗演示儀器能較全面地探究與摩擦力相關(guān)的因素。演示儀器利用力傳感器來測摩擦力的大小，實驗數(shù)據(jù)精確，探究得到的結(jié)果可信度高。同時，該實驗儀器的可視性也比較強，利用顯示器可得到摩擦力與時間的關(guān)系圖像，方便教師的教學(xué)，也方便學(xué)生自主探究。

關(guān)鍵詞：探究；摩擦力；滑動摩擦力；靜摩擦力；演示儀器

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）7-0016-3

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》[1]要求教師通過實驗讓學(xué)生去認(rèn)識動摩擦、靜摩擦的規(guī)律。然而，在實際的教學(xué)過程中，老師們卻最常用理論分析的方法讓學(xué)生去認(rèn)識摩擦力的規(guī)律，使得學(xué)生對摩擦力的認(rèn)識不夠深刻，從而在往后的學(xué)習(xí)過程中分析摩擦力時頻頻出錯。其主要原因有二：一是教材中的實驗儀器比較簡陋，使實驗結(jié)果誤差較大，達(dá)不到預(yù)期的效果；二是實驗儀器作用單一，往往只能體現(xiàn)某一種作用，不能綜合地探究影響摩擦力的因素。所以，一種較為精確的、綜合的探究影響摩擦力因素的實驗儀器呼之欲出。

1 實驗儀器介紹

探究影響摩擦力因素的實驗演示儀器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，儀器有一底板，底板上安裝有兩根滑軌，一塊木板安裝在滑軌上可隨滑軌移動形成移動的木板，通過減速電機的拖動可使移動的木板在水平方向做勻速運動，移動速度的快慢可以調(diào)節(jié)。用于探究影響摩擦力因素的實驗樣品在實驗的過程中放置在移動木板上，實驗樣品通過豎直拉線與朗威力傳感器相連，實驗樣品所受的拉力等于樣品所受的摩擦力，其大小可以通過拉力傳感器進行測量。實驗中樣品所受摩擦力的大小既可由朗威力傳感器直接測出，也可在實驗中將力傳感器與電腦相連，通過電腦顯示屏向?qū)W生展示摩擦力隨時間變化的曲線，以便分析摩擦力的變化規(guī)律。

2 實驗儀器在探究影響摩擦力因素教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 探究靜摩擦力與滑動摩擦力的方向

如圖2所示，將實驗樣品1做成毛刷的形式放在移動木板上并與力傳感器連好，然后開啟電機使移動木板勻速向左移動則毛刷相對于移動木板向右移動。剛開始移動時，發(fā)現(xiàn)毛刷的上端沒動，毛刷下端也保持豎直，但隨移動木板繼續(xù)向左運動，毛刷的下端發(fā)生了如圖2所示的形變。由分析可知，正是在向左的靜摩擦力的作用下，毛刷的下端才與移動木板一直保持相對靜止并向左移動。但若向右的拉力繼續(xù)作用，毛刷下端與上端一樣會相對于移動木板向右運動。因此，當(dāng)毛刷與木板保持相對靜止時具有向右的運動趨勢，總結(jié)可得：靜摩擦力的方向與相對運動趨勢的方向相反。使拉力繼續(xù)作用，毛刷與木板發(fā)生相對滑動，毛刷依然發(fā)生如圖2所示的形變，此時，毛刷所受滑動摩擦力的方向向左，仍與相對運動的方向相反。通過實驗探究可以得出結(jié)論：滑動摩擦力的方向與相對運動的方向相反，靜摩擦力的方向與相對運動趨勢的方向相反。

2.2 探究靜摩擦力與滑動摩擦力之間的大小關(guān)系

為了探究靜摩擦力與滑動摩擦力之間大小的關(guān)系，樣品做成如圖3所示的形狀，木塊的上表面光滑，下表面粗糙。實驗時將樣品粗糙的一面放在實驗儀器的移動木板上進行測試，測試得到的摩擦力隨時間變化的曲線如圖4所示。從測量曲線可以看出：樣品和移動木板之間的摩擦力隨時間逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一個最大值后又開始減小，然后趨于一個穩(wěn)定值。通過觀察儀器上的指針發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摩擦力達(dá)到最大值后，樣品相對于移動木板開始滑動。通過分析知道：曲線上的最大值就是靜摩擦力，穩(wěn)定值就是滑動摩擦力。但平時為了方便研究，近似地認(rèn)為最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，從而幫助學(xué)生搞清靜摩擦力與滑動摩擦力之間的大小關(guān)系。

2.3 探究靜摩擦力和滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度之間的關(guān)系

實驗樣品仍然采用如圖3所示的樣品2，木塊的上表面較光滑，下表面較粗糙。首先，將樣品的粗糙面放置在儀器上測試靜摩擦力與滑動摩擦力的大小，然后再測光滑表面的靜摩擦力與滑動摩擦力的大小。實驗發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，接觸面越粗糙靜摩擦力與滑動摩擦力越大。從而得出結(jié)論：其他條件相同時，接觸面越粗糙靜摩擦力與滑動摩擦力越大。

2.4 探究正壓力與滑動摩擦力之間的大小關(guān)系

實驗樣品3做成圖5（a）所示的形狀，每塊樣品質(zhì)量都完全相同。實驗時將4塊樣品依次放到移動木板上進行測試，如圖5（b）所示。利用力傳感器依次測量4組樣品木塊放上去后滑動摩擦力的大小隨時間變化的圖像。通過測量發(fā)現(xiàn)，疊放的木塊數(shù)量越多測得的滑動摩擦力越大，但接觸面間的滑動摩擦力與疊放木塊的重力的比值卻始終保持不變。需要特別說明的是，此時樣品的重力就是樣品作用在移動木板上的正壓力。所以，由實驗得出的結(jié)論：滑動摩擦力的大小與正壓力成正比，但不能說滑動摩擦力的大小與樣品的重力成正比。

2.5 探究滑動摩擦力大小與接觸面積大小、相對運動快慢的關(guān)系

為了探究滑動摩擦力大小與接觸面積大小、相對運動快慢之間的關(guān)系，樣品做成如圖6所示的形狀。樣品A和B兩木塊的質(zhì)量相同，但A木塊的底面積比B木塊大一倍。實驗時將兩木塊依次放在儀器上進行實驗探究，在其他實驗條件相同的情況下測得的A、B兩木塊所受的滑動摩擦力相同。于是，通過實驗可以得出結(jié)論：滑動摩擦力大小與接觸面積大小無關(guān)。同樣用A、B兩木塊進行實驗，但在滑動摩擦力的測量過程中通過調(diào)節(jié)電機的調(diào)速開關(guān)去改變移動木板的運動速度，分別測出A、B兩木塊移動速度不同時所受的滑動摩擦力的大小，最后發(fā)現(xiàn)測得的摩擦力相同。于是，通過測得的實驗結(jié)果可得出結(jié)論：木塊所受滑動摩擦力的大小與木塊的運動速度無關(guān)。

2.6 探究滾動摩擦力和滑動摩擦力之間的大小關(guān)系

滾動摩擦力雖然不屬于高中物理所要掌握的范圍，但滾動摩擦卻在生活中隨處可見，如滾動的車輪、足球等。為了拓寬學(xué)生的知識面，幫助學(xué)生解決生活中一些關(guān)于滾動摩擦力和滑動摩擦力的問題，可利用如圖7所示的木板小車探究滾動摩擦力大小與滑動摩擦力之間的大小關(guān)系。實驗時首先將木板小車放置在實驗儀器的移動木板上，開啟電機讓小車在移動木板上滾動，通過力傳感器測出樣品小車滾動時所受摩擦力的大小，然后將木板小車的輪子朝上、面板朝下，放在儀器的移動木板上，測量此時木板小車所受滑動摩擦力的大小。最后，發(fā)現(xiàn)在實驗條件相同的情況下小車所受的滾動摩擦力遠(yuǎn)小于滑動摩擦力。由此得出結(jié)論：其他條件相同時，物體間的滾動摩擦小于滑動摩擦。學(xué)生可將此結(jié)論應(yīng)用于生活中并解決生活中的一些實際問題。

3 結(jié)束語

就目前的教學(xué)現(xiàn)狀來看，新課程標(biāo)準(zhǔn)要求我們運用實驗來探究物理規(guī)律往往流于形式，未被落到實處，其原因也很復(fù)雜。但只要每一個物理人付出自己小小的努力，現(xiàn)狀就會有很大的改觀。希望通過探究影響摩擦力因素的實驗演示儀器在摩擦力教學(xué)中的運用舉例，能幫助老師在物理教學(xué)中將教學(xué)設(shè)計與實驗很好地結(jié)合起來，這樣不但老師講授物理原理容易，學(xué)生理解起來也輕松。由于親眼所見實驗現(xiàn)象，那么對相應(yīng)的物理理論的記憶就更深刻，這樣學(xué)習(xí)物理將不再是學(xué)生們心中難以逾越的鴻溝。

參考文獻：

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（欄目編輯 趙保鋼）