“滑動摩擦力演示儀”教具的改進與創(chuàng)新

黃樹清 陳睿涵 周亞斌

(福建師范大學物理與能源學院 福建 福州 350117)

在中學物理教學中，“滑動摩擦力”一直占據(jù)非常重要的地位，作為典型的初高中知識相銜接的內(nèi)容，它具有承上啟下的作用[1].然而教科書中對于不同情況下滑動摩擦力的方向判別、性質(zhì)等知識點并沒有相對全面的說明，教師在授課中通常只是簡單舉例，學生很難親身感受，深入理解.這時，教具的使用很好地改進和創(chuàng)新了傳統(tǒng)滑動摩擦力演示儀中存在的諸多不足，解決教學難點，突破思維“痛點”[2].

1 傳統(tǒng)滑動摩擦力方向演示儀的缺陷

在司南版高中物理必修1第4章“相互作用”的第3節(jié)“摩擦力”的教學中，教師給學生演示滑動摩擦力方向主要采用如圖1所示的教具.

圖1 傳統(tǒng)滑動摩擦力方向演示儀

使用該教具時，教師將板刷在桌面的上方左右滑動，讓學生觀察刷毛彎曲的方向來判斷滑動摩擦力的方向.然而，該實驗中板刷的運動方向總是與板刷相對桌面的運動方向相同，即板刷所受滑動摩擦力總是與運動方向相反，因此教師并不能較好地引導學生區(qū)分滑動摩擦力方向與物體運動方向、相對運動方向的關系.本文針對傳統(tǒng)滑動摩擦力演示儀中存在的缺陷進行優(yōu)化與創(chuàng)新，得到了較好的實驗結(jié)果，更有利于學生對滑動摩擦力的學習.

2 滑動摩擦力演示儀的改進與創(chuàng)新

2.1 滑動摩擦力演示儀簡介

如圖2所示，儀器的主體部分是一個內(nèi)側(cè)裝有軌道的支架，在支架上放一塊墊板.墊板的左端穿有一條細繩，通過拉動細繩可使墊板在支架的軌道上運動.為了構(gòu)建出疊加體，在墊板上放一個物塊，通過細繩拉動墊板，使支架、墊板、物塊三者之間發(fā)生相對運動.實驗前，分別在支架、墊板、物塊的同一水平位置做好標記，以便實驗中直觀地確定它們之間的相對位置.

圖2 滑動摩擦力演示儀

2.2 探究滑動摩擦力性質(zhì)的實驗

2.2.1 實驗一:操作過程與現(xiàn)象分析

我們將墊板拖至支架的右端，物塊放在墊板上，讓3個紅色標記對齊；瞬間向左拉動墊板，物塊和墊板一起向左運動，二者均停止后，觀察物塊的運動方向以及物塊相對于墊板的運動方向，并判斷物塊所受滑動摩擦力的方向.

以上實驗結(jié)果顯示，此時物塊的標記位于支架標記左邊、墊板標記右邊，從而得知它的運動方向朝左，相對墊板的運動方向朝右，在此過程中，滑動摩擦力帶動物塊由靜止向左運動，即滑動摩擦力方向朝左.

2.2.2 實驗二：操作過程與現(xiàn)象分析

把墊板放在軌道的左端，和支架相碰，再把物塊放在墊板上，讓物塊和墊板的標記對齊，并在支架上做好標記.將物塊和墊板向右移動一段距離后再用繩子拉動墊板，讓物塊和墊板一起向左運動，直到墊板碰到支架.

實驗結(jié)果顯示，在墊板停止運動后，物塊繼續(xù)向左運動一段時間才停下，此時物塊的標記位于支架和墊板標記的左側(cè)，即物塊的運動方向及其相對運動方向均向左.而從實驗現(xiàn)象可知滑動摩擦力使物塊從運動變成靜止，阻礙了物塊的運動，因此物塊受到與運動方向相反的滑動摩擦力.

2.2.3 實驗三：操作過程與現(xiàn)象分析

先將墊板放在軌道的右端，再把物塊放在墊板上，讓3個標記對齊.然后將物塊用線與支架右端相連，使物塊無法向左運動.

當向左拉動墊板時，物塊的標記移至墊板的右邊，即被細線拉住的物塊相對支架靜止，相對墊板向右運動.當我們剪斷繩子，重復實驗發(fā)現(xiàn)物塊會向左運動，說明繩子上的拉力阻止物塊向左運動，滑動摩擦力的方向向左.

2.3 實驗結(jié)果與討論

為了進一步得出實驗結(jié)論，我們將上述3個實驗得到的實驗結(jié)果記錄在表1中進行比較,實驗結(jié)果比較分析闡述如下.

從表1縱向觀察，我們發(fā)現(xiàn)物塊所受滑動摩擦力的方向與物塊運動的方向既有相同也有相反，卻總是與物塊相對墊板運動的方向相反.說明：滑動摩擦力方向與物體運動方向無關，與相對運動方向總是相反.

表1 實驗結(jié)果

從表1橫向觀察，在實驗一中，我們發(fā)現(xiàn)物塊運動方向與滑動摩擦力方向相同，即滑動摩擦力充當物體運動的動力；通過實驗二，我們發(fā)現(xiàn)物塊運動方向與滑動摩擦力方向相反，即滑動摩擦力充當物塊運動的阻力.由此說明：不同情況下，滑動摩擦力既可作為動力，也可作為阻力.

在實驗三中，雖然物塊相對支架保持靜止，但相對與之接觸的墊板運動，因此物塊仍能受到滑動摩擦力.實驗結(jié)果表明：并非只有運動物體能受到滑動摩擦力，靜止的物體也可以受到滑動摩擦力.

分析物體是否受到摩擦力時，一定要看它與哪些物體接觸或連接，還要看這些物體的相對運動狀態(tài)或相對運動趨勢，只有這樣，才能得出正確結(jié)果.

3 結(jié)束語

優(yōu)化創(chuàng)新后的滑動摩擦力演示儀有效地解決了教學上的部分難題，還增加了很多新的功能，其擁有實驗現(xiàn)象明顯、實驗內(nèi)容豐富、制作方便等優(yōu)勢，能夠較好地提升“滑動摩擦力”這一章節(jié)的教學效果.最后，希望我們的工作和結(jié)論能給同行教師們帶來一定的參考和借鑒作用.