改進(jìn)“探究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)方案

胡浩然

摘要：從當(dāng)前我們學(xué)生所做的物理題目來看，與摩擦力有關(guān)的題目占據(jù)相當(dāng)大的比重。不難發(fā)現(xiàn)，我們往往常常會(huì)因?yàn)閷?duì)摩擦力考慮不足而導(dǎo)致解題出現(xiàn)錯(cuò)誤。實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)是我們學(xué)生理解并掌握摩擦力的有效途徑之一。本文以摩擦力的實(shí)驗(yàn)為主要內(nèi)容，重點(diǎn)討論了如何改進(jìn)“研究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)方案。

關(guān)鍵詞：摩擦力;壓力;實(shí)驗(yàn)方案;改進(jìn)

引言

從當(dāng)前摩擦力實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)來看，我們學(xué)生中的大部分并不關(guān)注課堂上老師所演示的物理實(shí)驗(yàn)。其主要原因在于，在課堂上，我們學(xué)生并未有較多的機(jī)會(huì)親自動(dòng)手實(shí)踐，只是被動(dòng)接受教師總結(jié)出的或者教材給出的結(jié)論，這樣造成的后果就是，我們中的相當(dāng)一部分并不能充分運(yùn)用摩擦力知識(shí)解決與摩擦力有關(guān)的實(shí)際物理問題，從而嚴(yán)重影響了我們物理水評(píng)的提高。我在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)，我的部分同學(xué)能夠通過自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)來掌握摩擦力的知識(shí)。因此，我認(rèn)為，要想加深我們學(xué)生對(duì)摩擦力的理解，則可以利用改進(jìn)后的摩擦力實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。以下就是我和幾個(gè)同學(xué)對(duì)摩擦力實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)（本文中所提到的摩擦力均為滑動(dòng)摩擦力）。

一、實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

（一）儀器及裝置準(zhǔn)備

改進(jìn)前：儀器：一個(gè)秤、一只彈簧測(cè)力計(jì)、一個(gè)長(zhǎng)度一米左右且表面粗糙程度均勻的矩形木板、一個(gè)長(zhǎng)方形木塊、一個(gè)可固定在鐵架臺(tái)上的鉤子、若干個(gè)砝碼、細(xì)線。裝置：如下圖1所示。

改進(jìn)后：儀器：一個(gè)秤、一只彈簧測(cè)力計(jì)、一個(gè)帶有長(zhǎng)度一米左右且表面粗糙程度均勻的矩形木板的小車、一個(gè)帶有釘子和定滑輪的木板、一個(gè)鐵架臺(tái)、一個(gè)長(zhǎng)方形木塊、一個(gè)小型電動(dòng)機(jī)、若干個(gè)鉤碼、細(xì)線。裝置：如下圖2所示。

（二）實(shí)驗(yàn)原理說明

無論是改進(jìn)前還是改進(jìn)后，其實(shí)驗(yàn)原理均為二力平衡原理。物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)的情況下，通過彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)得到摩擦力的大小，此時(shí)，拉力與摩擦力相等。

改進(jìn)前，由于人為拉動(dòng)矩形長(zhǎng)木板B，所以并不能保證矩形長(zhǎng)木板B相對(duì)于長(zhǎng)方體木塊A做勻速直線運(yùn)動(dòng)。而且，人為拉動(dòng)過程中，細(xì)線并不能夠一直保持在水平狀態(tài)。另外，還存在彈簧測(cè)力計(jì)自身抖動(dòng)明顯的現(xiàn)象。這些不足之處都會(huì)使得實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理想實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在較大的差異，因此并不能夠充分確定摩擦力的大小是否和壓力有關(guān)。

基于上述不足我和幾個(gè)同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了有效改進(jìn)，引入了定滑輪、小車以及電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)以及小車保證了矩形木板始終相對(duì)于長(zhǎng)方形木塊做勻變速直線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中，細(xì)線一直保持在水平狀態(tài)。而且，定滑輪保證了彈簧測(cè)力計(jì)不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。這些改進(jìn)措施都在最大程度上彌補(bǔ)了改進(jìn)前實(shí)驗(yàn)裝置中存在的不足之處。

二、實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)記錄

我和我同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：（1）正式實(shí)驗(yàn)之前，使用秤確定長(zhǎng)方形木塊的具體重力，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)改進(jìn)之后的裝置即圖2安裝實(shí)驗(yàn)儀器。固定好彈簧測(cè)力計(jì)的一端，調(diào)整其方向及刻度并將電動(dòng)機(jī)置于合適的位置，用細(xì)線連接帶有木板的小車與電動(dòng)機(jī)、彈簧測(cè)力計(jì)自由端與長(zhǎng)方形木塊，放置長(zhǎng)方形木塊于矩形木板上，并確定彈簧測(cè)力計(jì)與豎直方向的細(xì)線處于與桌面垂直的狀態(tài)、水平方向的細(xì)線與桌面及矩形木板保持水平狀態(tài)、所有儀器穩(wěn)定不動(dòng)時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)指針指向零刻度線且受垂直向細(xì)線的拉力作用。（2）開啟電動(dòng)機(jī)，并控制電動(dòng)機(jī)速度，使其拉動(dòng)小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)，彈簧測(cè)力計(jì)指針穩(wěn)定后，讀數(shù)并記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，此時(shí)，長(zhǎng)方形木塊上方不放置任何鉤碼。（3）關(guān)閉電動(dòng)機(jī)，并對(duì)小車進(jìn)行復(fù)位。（4）依次將兩個(gè)、四個(gè)、六個(gè)鉤碼置于長(zhǎng)方形木塊上，重復(fù)步驟2。（5）選擇合適的方法對(duì)所記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并得出摩擦力與壓力之間的關(guān)系曲線圖，如下圖3所示。

下表1是我們做的數(shù)據(jù)記錄。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

我從得出的摩擦力與壓力之間的關(guān)系曲線圖得到，壓力與摩擦力為線性關(guān)系。至于圖3關(guān)系式中的0.0028，則為誤差。在誤差逐漸趨向于0的情況下，壓力與摩擦力成正比關(guān)系，當(dāng)壓力增大時(shí)，物體的摩擦力也隨之增大。反過來，當(dāng)壓力減小時(shí)，物體的摩擦力也隨之減小。另外，我的一個(gè)同學(xué)并沒有做相應(yīng)的關(guān)系曲線圖，而是通過表1中記錄的數(shù)據(jù)分析壓力與摩擦力之間的關(guān)系。同學(xué)說：“從表1中明顯可以看到，彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)隨著所添加鉤碼數(shù)量的增多而呈遞增趨勢(shì)。此外，無論是沒有添加鉤碼，還是添加了兩個(gè)鉤碼，亦或者是添加了四個(gè)、六個(gè)鉤碼，壓力與測(cè)力計(jì)讀數(shù)的比值都是接近相同的。因此，我得出的結(jié)論是，壓力與摩擦力之間的關(guān)系為正比例關(guān)系。你們之所以做圖像，只是因?yàn)橄噍^于一堆數(shù)據(jù)，圖像更加直觀罷了。”

結(jié)語

綜上所述，要改進(jìn)“探究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)方案，應(yīng)當(dāng)打破傳統(tǒng)思維定式，脫離教材的局限，找出教材實(shí)驗(yàn)方案中存在的不足之處，在充分考慮當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件的情況下，利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)其進(jìn)行有效彌補(bǔ)。值得注意的是，我們?cè)诟倪M(jìn)實(shí)驗(yàn)的過程中，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，嘗試通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自己總結(jié)有關(guān)結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

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