摩擦力演示裝置

劉召新

（余姚市第四中學，浙江 余姚315400）

1 引 言

摩擦力的教學是高中物理力學教學的一個難點，因為它是條件力，具有很強的抽象性，學生很難僅僅憑借自己的思維理解摩擦力．同時它又是具有重要性質的力，對摩擦力的掌握情況會成為高中生力學分析的關鍵問題．用實驗去探究摩擦力是解決這一教學難點的最佳方法，不但符合了物理學研究的基本方法，而且符合學生的認知規律．根據多年的教學經驗，經反復嘗試，研制了集靜摩擦力和滑動摩擦力研究功能于一體的摩擦力演示儀，從而很好地解決了摩擦力教學過程中的實驗探究問題．本文就該演示儀的制作過程、各部分結構功能和實際使用的情況進行介紹．

2 實驗儀器的制作原理

自制摩擦力演示裝置根據摩擦力產生的條件，即物體間的接觸面粗糙，且存在彈力時，采取方法使物體間產生相對運動趨勢，從而產生靜摩擦力；隨著運動趨勢的加強，靜摩擦力逐漸增大至最大；物體間產生相對運動后，轉化為滑動摩擦力．該裝置采用傳感器的直接輸出，所以結果直觀，實驗現象清晰明顯．實驗通過進一步增大物重改變彈力的大小、改變接觸面和改變相對運動的速度大小等條件的變化，可深入探究摩擦力．

3 實驗裝置的制作方法

將實驗滑塊與傳感器水平相連，放置于帆布所做的無接縫傳送帶上．傳送帶左端與轉輪緊密吸附在一起，當手柄搖動時，轉輪通過與傳送帶間的摩擦力帶動傳送帶運動，將以上各部分通過塑料外殼集中為一個整體，如圖1所示．

圖1 摩擦力演示裝置

4 裝置的主要結構和功能介紹

1）數字面板將滑塊與傳送帶之間的摩擦力通過模擬電路轉化為數字信號直接顯示出來．左邊的面板記錄最大靜摩擦力的數值，右邊的面板記錄滑動摩擦力的數值．

2）清零按鈕．每次實驗先利用該按鈕清零．

3）數字電路開關．控制數字電路的電源．

4）掛式連接桿．將實驗滑塊與傳感器電路連接，這種結構不但方便于改變接觸面時的連接，而且消除了大部分干擾因素對本實驗的影響．

5）實驗滑塊．各個面的粗糙程度做成不同，并且在滑塊的面上預留可以放置砝碼的凹槽，避免砝碼從滑塊上脫落．

6）傳送帶．選用粗糙程度一致的無接縫布料，在手搖柄的帶動下產生與實驗滑塊之間的相對運動趨勢和相對運動．

7）手搖柄．通過手搖柄的轉動帶動傳送帶，之所以不采用電動機就是為了控制傳送帶由靜止到逐漸運動，將靜摩擦力的產生過程呈現出來．

8）電池倉．采用2節1．5 V干電池．

5 實際教學中的探究過程

1）將本演示器放在水平桌面上，連接好實驗滑塊，打開電源，然后清零．

2）緩慢搖動轉輪手柄帶動傳送帶，使滑塊和傳送帶之間產生運動趨勢，從而產生靜摩擦力，隨著運動趨勢的加強，靜摩擦力也隨之逐漸增大，直至滑塊和傳送帶之間發生相對運動．此過程靜摩擦力的大小可以通過瞬時值數字面板直觀地顯示出來，最大值數字面板記錄了該過程的最大靜摩擦力．

3）當滑塊和傳送帶之間發生相對運動之后，可以通過瞬時值數字面板反映出滑動摩擦力，同時與最大靜摩擦力進行對比，容易得出最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力的結論．

4）改變傳送帶的運動速度，觀察摩擦力的變化，可以探究出滑動摩擦力的大小與相對運動速度無關．

5）在保證接觸面的粗糙程度一定的前提下，將實驗滑塊分別平放和側放，只改變接觸面積，重復步驟1），可以探究出滑動摩擦力的大小與接觸面積無關．

6）在保證接觸面的粗糙程度一定的前提下，通過在滑塊上方添加砝碼的方法增加滑塊與傳送帶之間的正壓力，可以探究出壓力越大，滑動摩擦力越大．

7）在正壓力一定的前提下，改變滑塊與傳送帶之間接觸面的粗糙程度，可以探究出滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度有關．

6 結束語

實驗裝置中結合了傳感器，將抽象的摩擦力變化過程直觀地以數字化顯示出來，實驗效果直觀，學生對摩擦力的產生條件和影響因素有了深入理解．同時利用該教具可全面探究靜摩擦力和滑動摩擦力的產生及演變過程，很好地將靜摩擦力的產生和變化過程和從靜摩擦力到滑動摩擦力的漸變過程反映出來，并且利用2個數字面板記錄摩擦力，很好地對比最大靜摩擦力和滑動摩擦力的大小關系．另外，本教具結構緊湊，外型簡潔美觀，方便課堂演示實驗的教學．