用氣墊導(dǎo)軌裝置演示靜摩擦力實(shí)驗(yàn)

1問(wèn)題的提出

在高中物理教學(xué)中，判斷物體是否具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以及靜摩擦力是否存在的問(wèn)題？學(xué)生頗感迷惑，怎樣給學(xué)生講清楚是教學(xué)的難點(diǎn)。老師在教學(xué)中通常用一把測(cè)力計(jì)拉一個(gè)放在桌面的木塊或用J12175摩擦力演示器來(lái)演示靜摩擦力。這兩種演示方法有共同點(diǎn)：其一，僅限于二力平衡求解的情形，物體是否具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及靜摩擦力的大小都是通過(guò)測(cè)力計(jì)示值決定的。

這容易將學(xué)生帶入認(rèn)知的誤區(qū)，不利于準(zhǔn)確反映物體在一定條件下有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。其二物體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是推測(cè)認(rèn)定，只停留在“說(shuō)”，并不能使物體真正作相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)印證。而且演示形式單一。

為了解決上述問(wèn)題，筆者用氣墊導(dǎo)軌來(lái)演示靜摩擦力。J2125氣墊導(dǎo)軌是利用氣墊原理來(lái)工作的實(shí)驗(yàn)儀器。它把通常的接觸滑動(dòng)摩擦變?yōu)榭諝獾膬?nèi)摩擦，能量損失很小。若給氣墊導(dǎo)軌的滑塊在沒(méi)有“氣墊”時(shí)設(shè)置幾種不同的處境，再分別觀察滑塊在“氣墊”上的運(yùn)動(dòng)狀況，就容易確認(rèn)靜止的滑塊相對(duì)導(dǎo)軌是否有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向，進(jìn)而確定有無(wú)靜摩擦力及其方向。達(dá)到較好突破教學(xué)難點(diǎn)之目的。

2演示內(nèi)容和操作方法：

(1）在常態(tài)(無(wú)氣墊狀態(tài))，滑塊靜止在導(dǎo)軌上時(shí)，滑塊相對(duì)導(dǎo)軌是否有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以及是否有靜摩擦力?相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及其靜摩擦力方向如何確定?

①調(diào)整導(dǎo)軌大致水平。置滑塊(質(zhì)量約200g)于導(dǎo)軌中部，給牽引滑塊的砝碼桶中添加約幾克砝碼但滑塊仍然靜止。此時(shí)滑塊相對(duì)導(dǎo)軌有向牽引方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和有與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反的靜摩擦力。打開(kāi)氣源，觀察到滑塊沿牽引方向運(yùn)動(dòng)，即表明和驗(yàn)證了上述推斷的正確性。

②調(diào)整導(dǎo)軌稍傾斜。為便于測(cè)出靜摩擦力的大小，在滑塊上加砝碼，使兩者總質(zhì)量約400克。置滑塊于導(dǎo)軌中部，因滑塊重量平行導(dǎo)軌斜面向下的分力與靜摩擦力彼此平衡，滑塊靜止。但不是在水平狀態(tài)的滑塊有沿導(dǎo)軌向下方相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和與相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)反問(wèn)的靜摩擦力。

為使學(xué)生確信這一事實(shí)，打開(kāi)氣源，觀察到滑塊在氣墊上平行導(dǎo)軌向下方運(yùn)動(dòng)。即確認(rèn)了推斷的正確性。此時(shí)，也可用力傳感器測(cè)出滑塊重量平行導(dǎo)軌斜面向下的分力的大小，即F≈5×10-2N，也就是滑塊靜止時(shí)靜摩擦力的大小，F(xiàn)=F靜(兩力方向相反)。

(2）在導(dǎo)軌的一端下方墊一木塊使導(dǎo)軌傾角約成5°。滑塊和砝碼兩者總質(zhì)量約400克。再把橡皮筋的一端固定在滑塊上，另一端固定在導(dǎo)軌堵板。置滑塊于導(dǎo)軌上面。提問(wèn)：在常態(tài)，靜止的滑塊相對(duì)導(dǎo)軌是否有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)及方向如何?如圖1所示。

①兩力的合力為0時(shí)靜摩擦力的演示。

先確定滑塊重量平行導(dǎo)軌斜面向下的分力與橡皮筋彈性形變產(chǎn)生的拉力，找出這兩力的合力為0時(shí)滑塊的平衡點(diǎn)。方法是將滑塊放在導(dǎo)軌上，打開(kāi)氣源，滑塊會(huì)來(lái)回運(yùn)動(dòng)幾下后便停止，滑塊停下的位置即是平衡點(diǎn)。然后，斷開(kāi)氣源待演示。若需演示時(shí)再次打開(kāi)氣源，觀察到滑塊不動(dòng)。說(shuō)明滑塊在兩力平衡點(diǎn)位置沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，靜摩擦力為0。

②三力的合力不為0時(shí)靜摩擦力的演示。當(dāng)滑塊重量平行導(dǎo)軌斜面向下的分力與橡皮筋的拉力、靜摩擦力共同作用，三力的合力不為0時(shí)：

a.置滑塊于導(dǎo)軌平衡點(diǎn)位置的下方。打開(kāi)氣源，觀察到滑塊會(huì)平行導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)。說(shuō)明滑塊在常態(tài)時(shí)有平行導(dǎo)軌向上相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，受靜摩擦力且方向平行導(dǎo)軌向下。

b.置滑塊于導(dǎo)軌平衡點(diǎn)位置的上方，使橡皮筋稍拉長(zhǎng)但又不要拉力過(guò)大。打開(kāi)氣源，觀察到滑塊會(huì)沿導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)。說(shuō)明滑塊在常態(tài)時(shí)有相對(duì)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，方向平行導(dǎo)軌向下，有靜摩擦力及方向平行導(dǎo)軌向上。

3演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)方法的改良與創(chuàng)新，體現(xiàn)正確的物理教學(xué)理念和科學(xué)有效的教學(xué)方法。利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)辨證地看問(wèn)題和發(fā)散性思維。

（2)通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察滑塊運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，結(jié)果便一目了然。使靜摩擦力抽象教學(xué)變得生動(dòng)具體。有助于學(xué)生對(duì)靜摩擦力概念的分析和理解。提高了教學(xué)效率和質(zhì)量。

（3)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器靈活變通地運(yùn)用，挖掘并拓展現(xiàn)有儀器教學(xué)潛能。

（4)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可信度高，重復(fù)性好。

(欄目編輯王柏廬)