对“探究滑动摩擦力大小”实验的改进

周立波

摘要： 本文以教材“探究滑动摩擦力大小”演示实验为例谈谈对实验装置的改进。

关键词： “探究滑动摩擦力大小”实验实验装置改进

一

高中物理必修1第三章第三节的摩擦力教学是力学部分的一个重点和难点，滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度和相互接触两物体之间的正压力大小有关，即f=μFN，在具体的实验探究过程中，以往教材常用这样的一个演示实验帮助学生理解，实验器材包括长木板、方木块、弹簧测力计、钩码、棉布、毛巾等，将弹簧测力计与方木块连接，水平拉动弹簧测力计使方木块做匀速直线运动，由其运动特征我们不难分析得到在此过程中，弹簧测力计的示数，即方木块所受滑动摩擦力的大小，有这样的知识做准备，再利用控制变量法，通过棉布或毛巾改变接触面之间的粗糙程度、通过在方木块上加砝码改变其与长木板之间的正压力的大小来探究影响滑动摩擦力大小的因素，具体实验装置如图1所示。

图1

但在实际的操作中该实验却存在诸多问题。

（一）不便于观察，不能真正起到演示的作用。

由于弹簧测力计水平拉动方木块进行观察，这样做学生不易观察，所以若将其作为演示实验并不能达到较好的演示效果。

（二）不便于操作，不利于实验数据的定量分析。

1.水平拉动弹簧测力计时，若操作不得当使得弹簧测力计与长木板接触而产生了摩擦，给实验带来了误差，影响对实验的准确分析。

2.弹簧测力计在实验过程中始终处于悬空状态，实际上其自身重力对实验也有影响。

3.用手拉动方木块观察摩擦力的大小的时候，会发现弹簧测力计的示数很不稳定，忽大忽小，一方面说明方木块的匀速直线运动很难控制，另一方面不利于实验数据的记录。

二

本实验在教材中并未作为单独的实验课时编写，只是出现在滑动摩擦力教学过程中的穿插实验，主要目的是通过对滑动摩擦力大小影响因素的探究体会控制变量法在实验中的应用，进而为下一章《牛顿运动定律》中的加速度与物体所受力和质量关系实验的定量分析奠定理论基础。因此，在实验过程中，我们应该着重让学生体会物理思想的应用。通过以上分析我们发现，由于操作过程中的系统误差和人为的操作不当，学生不能通过物理方法短时间内得到三个物理量之间的定量关系，因而冲淡了本实验的主题，笔者认为进一步完善该实验的装置非常必要，以便学生更深刻地理解摩擦力的相关规律。因此，本文以滑动摩擦力为例谈谈笔者对该实验装置的改进。

首先，针对观察上的不便，笔者将演示实验改为学生分组实验，这样做不但提高了学生之间的团队协作能力，而且提高了学生实验探究的深刻性和运用实验器材分析及解决实际问题的能力。

其次，针对操作问题，因为手拉弹簧测力计不容易控制，所以可把弹簧测力计放在上表面光滑的长方体（可用长木块上表面粘贴玻璃板），以减小弹簧测力计的自身重力对实验的影响，同时把弹簧测力计的一端固定在竖直的木板上，另一端与方木块相连，若方木块的连接点过低，可将两块方木板上下粘在一起，使得弹簧带钩的一端与上面方木块相连，另一端再与竖直木板固定。这样一来要想在方木块和长木板之间产生摩擦力，就必须使长木板运动，这时若用手推动或拉动长木板运动，由于长木板与桌面之间也存在很大的摩擦力，将给实验带来更大的困难，因此，可以改装长木板，在长木板下面安装几个轮子。由于在相同的压力情况下，滚动摩擦力比滑动摩擦力要小，因而很容易控制长木板做匀速直线运动。若有条件的学校，还可以将长木板与电动机相连，在电动机转轴处安装两个半径不一样的轮子，就可以通过改变速度来研究不同情况下物体所受摩擦力的大小，这样既解决了实际问题又取得了明显的实验效果。但在实验过程中，有的学生按照教材中实验所示将弹簧测力计水平拉动，而有些同学则干脆将弹簧测力计垂直水平面放置，其实，对于弹簧测力计而言，水平放置与垂直水平面放置时零刻度是不同的，应及时引导学生纠正，养成良好的实验习惯。

针对上述问题，我将此演示实验进行了改进，改进装置如图2所示：

图2

实验拓展：这个实验现象还可以非常直观地说明摩擦力方向中“相对”二字的重要性，解决本节课学生对滑动摩擦力方向上的理解难题。虽然利用原有实验，学生也很容易得到木块相对长木板的运动方向，但如果以长木板为研究对象分析其所受摩擦力的方向时学生往往不能得出结论，由于学生已经习惯了以相对地面静止物体为参考系解决问题，因此利用本实验装置就能很好地解决这一问题，例如：当水平向左拉动长木板时，学生很容易体会到方木块“相对”长木板向右运动，则可以得到方木块受长木板的摩擦力的方向应水平向左。而方木块相对地面是向左运动的，则可以得到，摩擦力的方向一定是与相对运动的方向相反，而和运动的方向并没有直接关系，有时会和运动方向相同，有时也会相反。同时，也可以通过实验得到既然此时摩擦力的方向和运动方向相同，那么在这种情况下，摩擦力应该充当动力，反之，我们也可以得到摩擦力可以充当阻力的结论。

以上，不难发现实验改进后再与教材中的演示实验相对比，针对性更强了，就会激发学生对实验的兴趣，从而在学习过程中投入更高的热情。当然，对于学有余力的学生，我们也可以让其课后将两个实验装置进行对比，去发现之间的不同。因此，笔者认为在教学过程中既要以书为本，又不要过分地拘泥于书本，这才是真正地驾驭了教材。