自制摩擦力實驗儀

1 原實驗存在的問題

人教版義務教育課程標準實驗教科書九年級“物理”第十二章第三節“摩擦力”有一個“探究摩擦力的大小與什么因素有關的實驗”。教材中的實驗操作是這樣的：學生手拿測力計，拉著滑塊作勻速直線運動，同時讀取測力計的示數，然后改變壓力的大?。禹来a）、改變接觸面的粗糙程度（墊布，毛巾）、改變接觸面積的大小（將滑塊側放）重做實驗，將測力計前后的示數比較，從而得出“滑動摩擦力的大小與接觸面的壓力、粗糙程度有關”的結論。

實驗操作看起來容易，但作為學生探究實驗，存在以下問題：①手拿測力計拉著滑塊在水平木板上做勻速直線運動（或接近勻速直線運動），要求操作技能高，對學生來說，難度較大。②滑塊在運動時，要讀取測力計的示數，同時保證滑塊作勻速直線運動，這對學生來說也很難做到。③數據的對比度不大，實驗室現有的木滑塊質量在160 g左右，此滑塊在木板上滑行時摩擦力大約在0.5 N，加上50 g砝碼后重做實驗，測力計的示數為0.63 N左右，前后的讀數差值不超過0.15 N，而個別學生實驗時由于滑塊運動時快時慢，讀數的誤差可達0.2 N。因此，實驗數據中出現了加上砝碼后的摩擦力反而比沒加壓力時的摩擦力小的情況，學生實驗的成功率不高。④實驗中通過用滑塊底面和側面分別做實驗來驗證摩擦力的大小與接觸面的大小無關，由于種種的原因，側面和底面的粗糙程度很難一致，因此也難于使前后2次的實驗數據相等（或接近）。

為了解決這些問題，我對此實驗進行了改進，并制作了現象直觀、對比明顯的摩擦力實驗儀。

2 實驗儀的改進和制作

改進后的實驗裝置如圖1所示，主件為圓盤測力計，支架，滑塊；附件有薄小木片等。主要改進如下。

圖1 自制摩擦實驗儀

1)改人拉為“機”拉，在滑塊內裝1個玩具遙控車的機芯（圖2），將細線的一端固定在電機的軸上，當操作遙控器時，電機就可以正轉、反轉或停止。電機正轉時，細線被卷到電機的軸上，由于細線的另一端固定在測力計的掛鉤上，滑塊在內部電機的作用下，向前滑行，電機的勻速轉動，保證了滑塊的勻速直線運動（或接近勻速直線運動）。

圖2 滑塊內的結構示意圖

2）滑塊內裝入電機和電池后，質量超過400 g，此滑塊的質量比實驗室現有滑塊的質量大多了，其所滑行時摩擦力也增大。為使所測量的摩擦力的數據更大，我在滑塊底部緊繃著蒙上一塊白布，以白布為摩擦面。白布的兩端分別固定在滑塊的前后兩側面，由于布面比滑塊本身的木質底面粗糙，因此用自制的滑塊做實驗時所測的摩擦力數值是比較大的，據親自實驗，可達3 N以上，而在布面的摩擦力在5 N左右，滑塊上加上砝碼后的摩擦力增大得也明顯。用此滑塊做實驗，其數據的對比度較高。布面與滑塊的木質底面之間沒有用黏合劑，也沒用釘子，因此布面與滑塊的木質底間有一點縫隙，可將三合板制作的薄小木片插入此縫隙（圖3）。由于木片撐起了布面，此時滑塊跟支架的木板平面的接觸面積就。

圖3 插入薄木片后，木片撐起布面，使滑塊底面與支架平面的接觸面積為小木片的面積

與木片的面積大小相當，但此時滑塊的摩擦面仍然是布面，其粗糙程度沒有改變。小木片平時放在滑塊上，改為放在布面與木底的縫隙中，滑塊的重量沒有改變，因此可用此方法探究滑動摩擦力的大小與接觸面的大小的關系。筆者用此方法做實驗，實驗非常成功，克服了原實驗存在的問題。

3）在滑塊上裝上電位器，用以調節電機的轉速，從而調節滑塊的運動速度，可用來研究滑塊運動速度與滑運動摩擦力的大小的關系。運動速度也是學生在探究實驗中猜想出的可能影響摩擦力大小的因素之一。

3 本裝置的作用

用于學生探究滑動摩擦力的大小與壓力，接觸面的粗糙程度，接觸面積的大小及滑塊運動速度的大小是否有關，有什么關系。也可用作教師演示實驗用。

4注意事項

1）電機要有一定的功率，轉速不能太快，要保留原遙控車機芯中的齒輪，必要時要加一級減速齒輪。

2）滑塊底部的白布要緊繃在滑塊上，白布的前后兩端要用圖釘固定在滑塊的前后壁。滑塊的底部木質與薄小木片是同一種材料制作的。薄小木片的面積為滑塊底面積的2/3左右。

3）細線要選用較細而張力大的尼龍線，不要用多股棉線，因為棉線較粗，被卷到電機軸上時，容易引起測力計指針的抖動。