馬蘭 代偉 李燕秋 段晨靚 李青 黃軍

摘 要：實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，教學(xué)中一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)于提高教學(xué)效果至關(guān)重要。探究影響摩擦力因素的實(shí)驗(yàn)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(lái)測(cè)摩擦力的大小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確，探究得到的結(jié)果可信度高。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)儀器的可視性也比較強(qiáng)，利用顯示器可得到摩擦力與時(shí)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(dòng)摩擦力；靜摩擦力；演示儀器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生去認(rèn)識(shí)動(dòng)摩擦、靜摩擦的規(guī)律。然而，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，老師們卻最常用理論分析的方法讓學(xué)生去認(rèn)識(shí)摩擦力的規(guī)律，使得學(xué)生對(duì)摩擦力的認(rèn)識(shí)不夠深刻，從而在往后的學(xué)習(xí)過(guò)程中分析摩擦力時(shí)頻頻出錯(cuò)。其主要原因有二：一是教材中的實(shí)驗(yàn)儀器比較簡(jiǎn)陋，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，達(dá)不到預(yù)期的效果；二是實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器呼之欲出。

1 實(shí)驗(yàn)儀器介紹

探究影響摩擦力因素的實(shí)驗(yàn)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(dòng)形成移動(dòng)的木板，通過(guò)減速電機(jī)的拖動(dòng)可使移動(dòng)的木板在水平方向做勻速運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)速度的快慢可以調(diào)節(jié)。用于探究影響摩擦力因素的實(shí)驗(yàn)樣品在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中放置在移動(dòng)木板上，實(shí)驗(yàn)樣品通過(guò)豎直拉線與朗威力傳感器相連，實(shí)驗(yàn)樣品所受的拉力等于樣品所受的摩擦力，其大小可以通過(guò)拉力傳感器進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中樣品所受摩擦力的大小既可由朗威力傳感器直接測(cè)出，也可在實(shí)驗(yàn)中將力傳感器與電腦相連，通過(guò)電腦顯示屏向?qū)W生展示摩擦力隨時(shí)間變化的曲線，以便分析摩擦力的變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)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(dòng)摩擦力的方向

如圖2所示，將實(shí)驗(yàn)樣品1做成毛刷的形式放在移動(dòng)木板上并與力傳感器連好，然后開(kāi)啟電機(jī)使移動(dòng)木板勻速向左移動(dòng)則毛刷相對(duì)于移動(dòng)木板向右移動(dòng)。剛開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)毛刷的上端沒(méi)動(dòng)，毛刷下端也保持豎直，但隨移動(dòng)木板繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，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(dòng)木板一直保持相對(duì)靜止并向左移動(dòng)。但若向右的拉力繼續(xù)作用，毛刷下端與上端一樣會(huì)相對(duì)于移動(dòng)木板向右運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)毛刷與木板保持相對(duì)靜止時(shí)具有向右的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，總結(jié)可得：靜摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反。使拉力繼續(xù)作用，毛刷與木板發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，毛刷依然發(fā)生如圖2所示的形變，此時(shí)，毛刷所受滑動(dòng)摩擦力的方向向左，仍與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究可以得出結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反，靜摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反。

2.2 探究靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力之間的大小關(guān)系

為了探究靜摩擦力與滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品粗糙的一面放在實(shí)驗(yàn)儀器的移動(dòng)木板上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試得到的摩擦力隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。從測(cè)量曲線可以看出：樣品和移動(dòng)木板之間的摩擦力隨時(shí)間逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一個(gè)最大值后又開(kāi)始減小，然后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。通過(guò)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(duì)于移動(dòng)木板開(kāi)始滑動(dòng)。通過(guò)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(dòng)摩擦力。但平時(shí)為了方便研究，近似地認(rèn)為最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，從而幫助學(xué)生搞清靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力之間的大小關(guān)系。

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

實(shí)驗(yàn)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(cè)試靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的大小，然后再測(cè)光滑表面的靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的大小。實(shí)驗(yàn)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(dòng)摩擦力越大。從而得出結(jié)論：其他條件相同時(shí)，接觸面越粗糙靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力越大。

2.4 探究正壓力與滑動(dòng)摩擦力之間的大小關(guān)系

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)將4塊樣品依次放到移動(dòng)木板上進(jìn)行測(cè)試，如圖5（b）所示。利用力傳感器依次測(cè)量4組樣品木塊放上去后滑動(dòng)摩擦力的大小隨時(shí)間變化的圖像。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，疊放的木塊數(shù)量越多測(cè)得的滑動(dòng)摩擦力越大，但接觸面間的滑動(dòng)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(shuō)明的是，此時(shí)樣品的重力就是樣品作用在移動(dòng)木板上的正壓力。所以，由實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小與正壓力成正比，但不能說(shuō)滑動(dòng)摩擦力的大小與樣品的重力成正比。

2.5 探究滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面積大小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)快慢的關(guān)系

為了探究滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面積大小、相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)時(shí)將兩木塊依次放在儀器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下測(cè)得的A、B兩木塊所受的滑動(dòng)摩擦力相同。于是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面積大小無(wú)關(guān)。同樣用A、B兩木塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但在滑動(dòng)摩擦力的測(cè)量過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的調(diào)速開(kāi)關(guān)去改變移動(dòng)木板的運(yùn)動(dòng)速度，分別測(cè)出A、B兩木塊移動(dòng)速度不同時(shí)所受的滑動(dòng)摩擦力的大小，最后發(fā)現(xiàn)測(cè)得的摩擦力相同。于是，通過(guò)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出結(jié)論：木塊所受滑動(dòng)摩擦力的大小與木塊的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)。

2.6 探究滾動(dòng)摩擦力和滑動(dòng)摩擦力之間的大小關(guān)系

滾動(dòng)摩擦力雖然不屬于高中物理所要掌握的范圍，但滾動(dòng)摩擦卻在生活中隨處可見(jiàn)，如滾動(dòng)的車輪、足球等。為了拓寬學(xué)生的知識(shí)面，幫助學(xué)生解決生活中一些關(guān)于滾動(dòng)摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的問(wèn)題，可利用如圖7所示的木板小車探究滾動(dòng)摩擦力大小與滑動(dòng)摩擦力之間的大小關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將木板小車放置在實(shí)驗(yàn)儀器的移動(dòng)木板上，開(kāi)啟電機(jī)讓小車在移動(dòng)木板上滾動(dòng)，通過(guò)力傳感器測(cè)出樣品小車滾動(dòng)時(shí)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(dòng)木板上，測(cè)量此時(shí)木板小車所受滑動(dòng)摩擦力的大小。最后，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下小車所受的滾動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦力。由此得出結(jié)論：其他條件相同時(shí)，物體間的滾動(dòng)摩擦小于滑動(dòng)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(shí)際問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

就目前的教學(xué)現(xiàn)狀來(lái)看，新課程標(biāo)準(zhǔn)要求我們運(yùn)用實(shí)驗(yàn)來(lái)探究物理規(guī)律往往流于形式，未被落到實(shí)處，其原因也很復(fù)雜。但只要每一個(gè)物理人付出自己小小的努力，現(xiàn)狀就會(huì)有很大的改觀。希望通過(guò)探究影響摩擦力因素的實(shí)驗(yàn)演示儀器在摩擦力教學(xué)中的運(yùn)用舉例，能幫助老師在物理教學(xué)中將教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)很好地結(jié)合起來(lái)，這樣不但老師講授物理原理容易，學(xué)生理解起來(lái)也輕松。由于親眼所見(jiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，那么對(duì)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(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2003.

[2]曾洪武.自制摩擦力演示儀及實(shí)驗(yàn)演示設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù)，2006，23（10）：26—27.

[3]羅桂新. 用氣墊導(dǎo)軌裝置演示靜摩擦力實(shí)驗(yàn)[J]. 物理教學(xué)探討，2007，25（10）：56—57.

[4]王翠萍. 如何區(qū)分動(dòng)摩擦力和靜摩擦力[J]. 新高考：高一物理，2013（9）：25—26.

[5]李雪琴，閆何軍，范福生.高考熱點(diǎn)專題透視——摩擦力的突變問(wèn)題[J]. 試題與研究：高考，2013（22）：55—59.

（欄目編輯 趙保鋼）