對于新教材“摩擦力實驗”的改進

摘要：對于“摩擦力”演示實驗，教材中通常用彈簧測力計來拉木塊。本文提出了一種有效的改進措施，利用力傳感器代替彈簧測力計，由彈簧和步進電機提供均勻變化的水平拉力，在計算機屏幕上直接觀測摩擦力的整個變化過程。本實驗易于操作，可視面大，現(xiàn)象直觀。

關(guān)鍵詞：摩擦力；力傳感器；步進電機；計算機技術(shù)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2008)5(S)-0053-3

引言

高中物理第一冊“摩擦力”一節(jié)的教學(xué)中，關(guān)于靜摩擦力的規(guī)律為:0≤f_滑≤f_max，且最大靜摩擦力f_max大于相應(yīng)條件下的滑動摩擦力f_滑，不少同學(xué)表示很難理解。人教版教材設(shè)計的演示實驗是利用彈簧測力計來研究摩擦力的變化情況，該方法結(jié)構(gòu)簡單、操作方便［1］。但實驗中用手拉彈簧，由于手的拉力不是均勻變化的，在拉動木塊時既要保證測力計始終水平又要使木塊勻速直線運動，很難做到，因此實驗現(xiàn)象不明顯，教學(xué)效果甚差［2］。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及新課改的進行，要求把現(xiàn)代的技術(shù)和新方法應(yīng)用到實驗教學(xué)中。傳感技術(shù)同計算機技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱。而傳感器是傳感技術(shù)的一個重要組成部分，它是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件［3］。本文提出利用力傳感器代替原有的彈簧測力計，由彈簧和步進電機提供均勻變化的水平拉力，重新設(shè)計實驗裝置，從而在計算機屏幕上直接觀測到摩擦力的整個變化過程。改造后的實驗可視面大，直觀簡便，使學(xué)生便于觀察、容易理解。

1 實驗方法

1.1 教材中的實驗

在摩擦力一節(jié)中，人教版第57頁有演示實驗，利用彈簧秤和木塊探究摩擦力的變化情況，課本的介紹如下：

把木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉動木塊，在拉力F增大到一定值之前，木塊不會運動。 

在彈簧測力計的指針下輕塞一個小紙團，它可以隨指針移動，并作為指針到達(dá)最大位置的標(biāo)記(圖1)。繼續(xù)用力，當(dāng)拉力到達(dá)某一數(shù)值f_max時木塊開始移動，此時拉力會突然變小到f₀。拉力變化示意圖見圖2所示［1］。

利用彈簧測力計進行研究，雖然儀器簡單，但操作要求較高，實驗時必須勻速拉動木塊，操作時很難做到，而且觀察不方便，在控制木塊勻速運動的時候還要讀數(shù)，許多學(xué)生都無法迅速準(zhǔn)確地完成。教材畫出了摩擦力隨拉力變化的情況，但這個變化在學(xué)生自己動手利用彈簧進行實驗的過程中是很難直接觀察出來的。鑒于此，我們提出了以下兩種研究方法。

1.2 實驗方法一

整個裝置放于粗糙的水平桌面上，桌表面紋理應(yīng)均勻，目的是為了使摩擦力恒定，得到穩(wěn)定的圖線。彈簧的功能是提供均勻變化的拉力，由于力傳感器放于光滑的玻璃板上，力傳感器與玻璃板間的摩擦力可以忽略不計，則彈簧的拉力大小近似等于物塊所受到的外力。步進電機的轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動，使得和其相連的彈簧緩慢被拉長，通過力傳感器提供物塊均勻變大的外力。而這個拉力大小變化情況可以通過力傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到計算機中，通過編制VB程序繪制圖線動態(tài)顯示摩擦力的整個連續(xù)變化過程。

1.3 實驗方法二

如圖4所示，將傳感器的左端固定在桌子上，右側(cè)與物塊相連，物塊放在小車上。將小車放于粗糙的水平桌面（表面紋理均勻）上。對小車而言，受到物塊的靜摩擦力及沙與沙桶通過繩子的拉力。由平衡條件及牛頓第三定律可得，利用沙漏增加沙桶的重力，從而改變物塊所受到的靜摩擦力，當(dāng)小車開始運動之后，物塊受到滑動摩擦力，通過力傳感器及計算機技術(shù)顯示物塊所受到的摩擦力變化情況。

2 實驗過程及結(jié)果 

下面以實驗方法一（圖3）為例，將實驗過程及相應(yīng)結(jié)果描述如下：

2.1 實驗過程

①按圖示要求連接裝置，調(diào)節(jié)彈簧，使其水平并處于原長。

②打開計算機軟件，啟動步進電機，在物塊相對地面未滑動之前，觀察屏幕上圖線的變化情況，即為靜摩擦力大小的變化。

③步進電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中，彈簧逐漸被拉長，物塊受到的水平拉力增大，當(dāng)物塊恰要相對滑動時，觀察圖線所對應(yīng)的值，即為最大靜摩擦力f_max。

④ 當(dāng)物塊滑動起來以后，觀察此時圖線的變化情況，即為滑動摩擦力f_滑。

2.2 實驗結(jié)果

由于實驗中先開啟軟件采集數(shù)據(jù)再啟動步進電機轉(zhuǎn)動，力傳感器對物塊沒有拉力（如圖5AB段）。步進電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)軸對彈簧的拉力均勻變大，物塊開始運動之前，一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)二力平衡的知識，物體所受的靜摩擦力的大小應(yīng)等于外力F的大小，所以靜摩擦力也是均勻變大（如圖5BC段）。但靜摩擦力的增大是有限度的，當(dāng)達(dá)到最大靜摩擦力時物塊剛好開始運動。理論上圖線C點應(yīng)立即降到D點，中間沒有一個連續(xù)變化過程，而實驗得到的圖象并不是突變的，這是由于物塊從靜止變?yōu)檫\動，運動狀態(tài)發(fā)生改變，其中必有一個加速過程，產(chǎn)生加速運動的合力是由拉力與滑動摩擦力的差值提供，此時傳感器顯示的是拉力大小，不是滑動摩擦力的大小。步進電機的轉(zhuǎn)軸是勻速轉(zhuǎn)動的，當(dāng)物塊加速到與電機拉繩速度一致時，物塊勻速前進，此時力傳感器對物塊的拉力大小等于物塊所受的滑動摩擦力，傳感器顯示的是滑動摩擦力的大小。通過圖線的變化情況反映了摩擦力的整個變化過程。

此外，運行軟件出現(xiàn)的界面中設(shè)有菜單。“文件”菜單可以保存實驗得到的圖象及相應(yīng)實驗數(shù)據(jù)；“設(shè)置”菜單可以設(shè)置圖象的單位刻度；“開始實驗”菜單可啟動步進電機，保證電機的同步進行。

3 實驗改進前后比較

（1）原有實驗通過彈簧測力計顯示摩擦力的變化過程，可視面太小，后排學(xué)生根本無法觀察，改進后的實驗利用多媒體教室中現(xiàn)成的大屏幕投影，可視面大。

（2）改進后的實驗利用力傳感器及計算機技術(shù)實時顯示摩擦力的整個變化過程，以圖線方式記錄，摩擦力的變化過程一目了然，直觀明了，更便于學(xué)生理解，顯然有更好的教學(xué)效果。

（3）原有實驗操作要求高，只有有經(jīng)驗的教師方可拉出效果，學(xué)生參與度不高。改進后，使得過去條件下不易實施的實驗也能輕松完成，不僅可以教師演示而且學(xué)生也可參與。

4 結(jié)束語

改進后的實驗現(xiàn)象直觀、操作方便，便于學(xué)生理解。結(jié)合現(xiàn)代傳感技術(shù)和計算機技術(shù)，從而

讓學(xué)生接觸一些現(xiàn)代化的科技手段，提高學(xué)生實驗興趣，培養(yǎng)學(xué)生運用現(xiàn)代科技的能力。另外需要說明的是，本實驗中計算機得到的圖線是力傳感器中拉力隨時間變化的圖線，而教材中畫的是摩擦力隨拉力變化的圖線，橫坐標(biāo)代表的物理量不同，這一點在演示過程中應(yīng)向?qū)W生說明。

參考文獻(xiàn)：

［1］張大昌，張維善等.物理1必修［M］.第二版.北京：人民教育出版社，2006:57-58

［2］崔鎮(zhèn)林，何玉花，李姝革.摩擦力實驗的改進［J］.物理通報，2004(3)

［3］丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1999

(欄目編輯王柏廬)