“研究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗改進(jìn)

安徽省太和縣第三中學(xué)(236600) 劉啟立

“研究影響滑動摩擦力大小的因素”的實驗是初中物理的一個基礎(chǔ)實驗，通過該實驗，可以使學(xué)生對兩個物體之間的滑動摩擦力與它們之間的正壓力以及兩個物體接觸面粗糙程度之間的定性關(guān)系有一個直觀的了解和認(rèn)識。筆者發(fā)現(xiàn)，不同版本的初中物理教科書設(shè)置的“研究影響滑動摩擦力大小的因素”的實驗，盡管實驗細(xì)節(jié)略有不同，但基本方法是一樣的，具體實驗方法如圖1所示：

圖1 初中物理教科書上的實驗方法示意圖

(1)用彈簧測力計勻速拉動木塊，使它沿水平長木板滑動，運用二力平衡知識測出木塊與長木板之間的滑動摩擦力。

(2)改變放在木塊上的砝碼，從而改變木塊對長木板的壓力，測出壓力改變之后木塊所受的滑動摩擦力。

(3)換用材料相同但表面粗糙的長木板，保持木塊上的砝碼不變，測出此種情況下的滑動摩擦力。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，即可總結(jié)滑動摩擦力與兩個物體接觸面的粗糙程度及它們之間壓力大小的定性關(guān)系。

1 教材中原實驗的缺陷和不足

在實際實驗教學(xué)中，可以發(fā)現(xiàn)教科書設(shè)置的實驗中存在以下不足：

(1)實驗時，用手直接拉彈簧測力計讓木塊滑動，雖操作簡單，但木塊在木板上滑動時，很難保持勻速直線運動，因此，拉動木塊的過程中，大多可以明顯觀察到到運動中的彈簧測力計指針?biāo)鶎Φ氖緮?shù)無法保持恒定，這會導(dǎo)致讀取的實驗數(shù)據(jù)偏差過大。

(2)實驗中改變接觸面間的壓力是通過增減鉤碼數(shù)量來實現(xiàn)的。盡管這種操作方式方法簡單，但是，對于剛學(xué)習(xí)物理不久的初中學(xué)生來說，認(rèn)識事物還很感性，他們大多會認(rèn)為不斷增減鉤碼數(shù)量就是在改變物體的質(zhì)量或者重力。于是就出現(xiàn)了實驗結(jié)束歸納總結(jié)實驗結(jié)論時，盡管教師不斷引導(dǎo)是壓力影響了滑動摩擦力大小，但還是有相當(dāng)一部分學(xué)生錯誤地認(rèn)為是質(zhì)量或重力影響了兩個物體之間的滑動摩擦力。從多次測試學(xué)生回答影響滑動摩擦力大小因素時，學(xué)生的答案中即可看出這一點。筆者認(rèn)為可以通過改進(jìn)實驗的方法來改變接觸面間的壓力，能讓學(xué)生更容易得出壓力是影響滑動摩擦力大小的因素。

考慮到實驗設(shè)計的科學(xué)性及實驗操作的可行性，筆者對教材中的實驗改進(jìn)如下。

2 實驗改進(jìn)

2.1 實驗器材

彈簧測力計、細(xì)線、磁鐵(2塊)、毛巾、棉布、帶有定滑輪的長木板。

2.2 針對第(1)點不足，改進(jìn)的實驗方案

如圖2所示，將彈簧測力計懸吊起來，把平放于毛巾上的磁鐵一端用細(xì)線通過定滑輪與彈簧測力計相連，緩慢拉動毛巾，這時磁鐵塊受拉力和毛巾對它的滑動摩擦力而平衡。操作過程中發(fā)現(xiàn)磁鐵塊相對木板保持靜止，彈簧測力計指針穩(wěn)定不動，所以讀取數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確。另外，這樣的實驗設(shè)計，將彈簧測力計沿豎直方向懸吊，可以很好地把彈簧測力計自身重力對實驗的影響平衡掉，實驗效果非常好。

2.3 針對第(2)點不足，改進(jìn)的實驗方案

2.3.1 方案1

如圖2(a)所示，緩慢拉動毛巾，讀出此時彈簧測力計的示數(shù)，測出磁鐵塊所受毛巾滑動摩擦力大小。

如圖2(b)所示，在長木板的下方放置另一磁鐵塊，使此磁鐵塊和毛巾上的磁鐵塊的異名磁極正對，兩磁鐵彼此吸引，然后緩慢拉動毛巾(實驗操作中可以發(fā)現(xiàn)，拉動毛巾時，兩磁鐵塊是相對靜止不動的)，讀取彈簧測力計的示數(shù)，測出此時磁鐵塊所受滑動摩擦力。

實驗發(fā)現(xiàn)，采用圖2(b)所示的方式進(jìn)行改變磁鐵與毛巾間的壓力實驗，滑動摩擦力變化非常明顯。利用磁極間相互作用規(guī)律(異名磁極相互吸引)來增大磁鐵與毛巾接觸面間的壓力，通過這種方式改變接觸面間的壓力，學(xué)生可以清楚看到實驗操作中并沒有改變磁鐵的質(zhì)量或者重力，更有利于學(xué)生得出壓力是影響滑動摩擦力的因素這一正確結(jié)論。

圖2 方案1裝置

為了得到更具一般性的結(jié)論，需要不斷改變壓力大小。為此，可以選擇幾個磁性強弱不同的磁鐵先后分別放在圖2(b)所示的木板下方正對上面磁鐵的位置(異名磁極相對放置)，再勻速拉動毛巾，讀取測力計的讀數(shù)，測量磁鐵與毛巾之間的滑動摩擦力。當(dāng)然，為了讓學(xué)生直觀的感受到壓力的變化，可以在每次更換磁鐵之前，用彈簧測力計將木板上方的磁鐵緩慢吊起，測量出最大拉力(亦即磁鐵與毛巾之間的正壓力——該壓力大于上面磁鐵的重力)。

2.3.2 方案2

如圖3所示，木塊與毛巾之間的摩擦力的測量依然用上述改進(jìn)方法來進(jìn)行——用懸吊起來的彈簧測力計并結(jié)合固定于木板上的定滑輪來進(jìn)行測量。木塊與毛巾之間的壓力大小可以通過下面的方法進(jìn)行：細(xì)線的一端栓在木塊上，繞過上面懸掛的定滑輪之后，在細(xì)線另一端懸掛鉤碼，通過改變鉤碼的個數(shù)來改變細(xì)線對木塊的拉力，從而改變木塊與毛巾之間壓力的大小，壓力改變之后，用手拉動毛巾，觀察并記錄彈簧測力計的讀數(shù)(亦即木塊與毛巾之間的滑動摩擦力)。

圖3 方案2裝置

課堂教學(xué)中筆者采用這樣的改進(jìn)方法進(jìn)行實驗。通過教學(xué)發(fā)現(xiàn)，不論是通過磁鐵之間相互作用的方法來改變兩個物體之間的壓力，還是通過懸掛鉤碼對物體拉力的方法來改變壓力，學(xué)生都會直觀的認(rèn)識到壓力改變的同時，研究對象物體的質(zhì)量和重力都沒有改變。學(xué)生就不會產(chǎn)生滑動摩擦力的大小跟物體的質(zhì)量或物體重力有關(guān)的錯誤認(rèn)識。

3 結(jié)語

作為教師，在教學(xué)過程中應(yīng)力爭做到以學(xué)生為主體，分析學(xué)生在哪些地方理解知識可能存在困難，教學(xué)內(nèi)容怎樣安排才能更利于學(xué)生構(gòu)建知識。物理實驗教學(xué)也是如此，設(shè)計實驗時，應(yīng)深入分析傳統(tǒng)實驗的優(yōu)點和不足，不斷改進(jìn)實驗教學(xué)方法，以使學(xué)生對知識的理解更到位、更透徹。