對“探究滑動摩擦力大小”實驗的改進

周立波

摘要： 本文以教材“探究滑動摩擦力大小”演示實驗為例談談對實驗裝置的改進。

關鍵詞： “探究滑動摩擦力大小”實驗實驗裝置改進

一

高中物理必修1第三章第三節的摩擦力教學是力學部分的一個重點和難點，滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度和相互接觸兩物體之間的正壓力大小有關，即f=μFN，在具體的實驗探究過程中，以往教材常用這樣的一個演示實驗幫助學生理解，實驗器材包括長木板、方木塊、彈簧測力計、鉤碼、棉布、毛巾等，將彈簧測力計與方木塊連接，水平拉動彈簧測力計使方木塊做勻速直線運動，由其運動特征我們不難分析得到在此過程中，彈簧測力計的示數，即方木塊所受滑動摩擦力的大小，有這樣的知識做準備，再利用控制變量法，通過棉布或毛巾改變接觸面之間的粗糙程度、通過在方木塊上加砝碼改變其與長木板之間的正壓力的大小來探究影響滑動摩擦力大小的因素，具體實驗裝置如圖1所示。

圖1

但在實際的操作中該實驗卻存在諸多問題。

（一）不便于觀察，不能真正起到演示的作用。

由于彈簧測力計水平拉動方木塊進行觀察，這樣做學生不易觀察，所以若將其作為演示實驗并不能達到較好的演示效果。

（二）不便于操作，不利于實驗數據的定量分析。

1.水平拉動彈簧測力計時，若操作不得當使得彈簧測力計與長木板接觸而產生了摩擦，給實驗帶來了誤差，影響對實驗的準確分析。

2.彈簧測力計在實驗過程中始終處于懸空狀態，實際上其自身重力對實驗也有影響。

3.用手拉動方木塊觀察摩擦力的大小的時候，會發現彈簧測力計的示數很不穩定，忽大忽小，一方面說明方木塊的勻速直線運動很難控制，另一方面不利于實驗數據的記錄。

二

本實驗在教材中并未作為單獨的實驗課時編寫，只是出現在滑動摩擦力教學過程中的穿插實驗，主要目的是通過對滑動摩擦力大小影響因素的探究體會控制變量法在實驗中的應用，進而為下一章《牛頓運動定律》中的加速度與物體所受力和質量關系實驗的定量分析奠定理論基礎。因此，在實驗過程中，我們應該著重讓學生體會物理思想的應用。通過以上分析我們發現，由于操作過程中的系統誤差和人為的操作不當，學生不能通過物理方法短時間內得到三個物理量之間的定量關系，因而沖淡了本實驗的主題，筆者認為進一步完善該實驗的裝置非常必要，以便學生更深刻地理解摩擦力的相關規律。因此，本文以滑動摩擦力為例談談筆者對該實驗裝置的改進。

首先，針對觀察上的不便，筆者將演示實驗改為學生分組實驗，這樣做不但提高了學生之間的團隊協作能力，而且提高了學生實驗探究的深刻性和運用實驗器材分析及解決實際問題的能力。

其次，針對操作問題，因為手拉彈簧測力計不容易控制，所以可把彈簧測力計放在上表面光滑的長方體（可用長木塊上表面粘貼玻璃板），以減小彈簧測力計的自身重力對實驗的影響，同時把彈簧測力計的一端固定在豎直的木板上，另一端與方木塊相連，若方木塊的連接點過低，可將兩塊方木板上下粘在一起，使得彈簧帶鉤的一端與上面方木塊相連，另一端再與豎直木板固定。這樣一來要想在方木塊和長木板之間產生摩擦力，就必須使長木板運動，這時若用手推動或拉動長木板運動，由于長木板與桌面之間也存在很大的摩擦力，將給實驗帶來更大的困難，因此，可以改裝長木板，在長木板下面安裝幾個輪子。由于在相同的壓力情況下，滾動摩擦力比滑動摩擦力要小，因而很容易控制長木板做勻速直線運動。若有條件的學校，還可以將長木板與電動機相連，在電動機轉軸處安裝兩個半徑不一樣的輪子，就可以通過改變速度來研究不同情況下物體所受摩擦力的大小，這樣既解決了實際問題又取得了明顯的實驗效果。但在實驗過程中，有的學生按照教材中實驗所示將彈簧測力計水平拉動，而有些同學則干脆將彈簧測力計垂直水平面放置，其實，對于彈簧測力計而言，水平放置與垂直水平面放置時零刻度是不同的，應及時引導學生糾正，養成良好的實驗習慣。

針對上述問題，我將此演示實驗進行了改進，改進裝置如圖2所示：

圖2

實驗拓展：這個實驗現象還可以非常直觀地說明摩擦力方向中“相對”二字的重要性，解決本節課學生對滑動摩擦力方向上的理解難題。雖然利用原有實驗，學生也很容易得到木塊相對長木板的運動方向，但如果以長木板為研究對象分析其所受摩擦力的方向時學生往往不能得出結論，由于學生已經習慣了以相對地面靜止物體為參考系解決問題，因此利用本實驗裝置就能很好地解決這一問題，例如：當水平向左拉動長木板時，學生很容易體會到方木塊“相對”長木板向右運動，則可以得到方木塊受長木板的摩擦力的方向應水平向左。而方木塊相對地面是向左運動的，則可以得到，摩擦力的方向一定是與相對運動的方向相反，而和運動的方向并沒有直接關系，有時會和運動方向相同，有時也會相反。同時，也可以通過實驗得到既然此時摩擦力的方向和運動方向相同，那么在這種情況下，摩擦力應該充當動力，反之，我們也可以得到摩擦力可以充當阻力的結論。

以上，不難發現實驗改進后再與教材中的演示實驗相對比，針對性更強了，就會激發學生對實驗的興趣，從而在學習過程中投入更高的熱情。當然，對于學有余力的學生，我們也可以讓其課后將兩個實驗裝置進行對比，去發現之間的不同。因此，筆者認為在教學過程中既要以書為本，又不要過分地拘泥于書本，這才是真正地駕馭了教材。