改進(jìn)“探究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)方案

張安　陳新光

摘 要：摩擦力是中學(xué)生難以掌握的知識點(diǎn)之一。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生自主完成摩擦力的探究實(shí)驗(yàn)是掌握該規(guī)律的重要途徑之一。本文針對教材中實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析過程的不足，提出了一種實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案，使之能在克服教材提供方案不足的同時(shí)，易于開展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，使數(shù)據(jù)分析更加科學(xué)，也能實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式，還提高了學(xué)生的信息處理能力。

關(guān)鍵詞：摩擦力；實(shí)驗(yàn)方案；自主探究

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）4-0075-3

摩擦力是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。滑動(dòng)摩擦力與壓力大小存在什么關(guān)系，許多教材采用教師演示實(shí)驗(yàn)方式引導(dǎo)學(xué)生來探究，并未安排學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行自主探究，往往造成學(xué)生被動(dòng)接受實(shí)驗(yàn)結(jié)論，缺乏個(gè)人的實(shí)踐探究體驗(yàn)。高中物理必修1（人教版）教材對該演示實(shí)驗(yàn)采用的是利用彈簧測力計(jì)直接拉動(dòng)木塊來研究摩擦力的變化情況，雖然方法簡單，易于操作。但是，實(shí)驗(yàn)中用手拉動(dòng)彈簧測力計(jì)，很難保證木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，而且在運(yùn)動(dòng)過程中不易準(zhǔn)確讀數(shù)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論也不太信服，教學(xué)效果較差。而高中物理1（司南版）教材雖然對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一些改進(jìn)（裝置見圖1），固定彈簧測力計(jì)和木塊保持不動(dòng)，拖動(dòng)與之接觸的長木板。該改進(jìn)方案仍然存在兩個(gè)方面的問題：①在拖動(dòng)長木板過程中，水平拉伸的彈簧測力計(jì)由于自身重力作用而下垂，使得彈簧測力計(jì)上的拉桿或指針極易碰到彈簧秤的外殼，摩擦阻力容易導(dǎo)致彈力的測量誤差；②在接觸面不太平整的情況下，拉動(dòng)木板時(shí)，彈簧會(huì)出現(xiàn)伸縮性變化，示數(shù)也會(huì)隨之變化，讀數(shù)也不太準(zhǔn)確。

針對教材中設(shè)計(jì)方案的不足，有部分作者采用了繁瑣的改進(jìn)方案[1，2]，或者借助力傳感器來取代傳統(tǒng)的彈簧秤[3，4，5]，但那些繁瑣的方案和昂貴的DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)備，反而會(huì)因麻煩和無法配置讓教師最終放棄實(shí)驗(yàn)。也因如此，大多數(shù)教師只能停留于利用圖1裝置進(jìn)行簡單演示實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，教材中采用人工手動(dòng)作圖的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法，許多教師往往交代了“在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)”便得到實(shí)驗(yàn)正確結(jié)論。這種分析方法難以使人信服。鑒于以上問題的考慮，筆者對如圖1裝（司南版）實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行一些簡單改進(jìn)，并采用計(jì)算機(jī)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該方案既克服原有方案的不足，也易于開展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的主動(dòng)參與，自主探究，其數(shù)據(jù)分析過程也容易理解，令人信服，能促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

彈簧測力計(jì)1只、帶有細(xì)線的小滑塊1塊、長約1 m的表面粗糙程度均勻的長木板1塊，裝有2個(gè)橫桿的鐵架臺(tái)1個(gè)，50 g砝碼若干，計(jì)算機(jī)1臺(tái)。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

1.2.1 教材中的實(shí)驗(yàn)方案

在《摩擦力》一節(jié)中，高中物理1（司南版）第71頁的“實(shí)驗(yàn)與探究”介紹如下：彈簧測力計(jì)一端固定于P點(diǎn)，自由端系一細(xì)線與滑塊A水平連接。拉動(dòng)長木板B，測力計(jì)讀數(shù)T等于A、B間的滑動(dòng)摩擦力f，如圖1所示。

■

圖1 物理必修1（司南版）中測量

滑動(dòng)摩擦力大小的實(shí)驗(yàn)原理圖

利用該方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，雖然儀器簡單，但實(shí)際操作過程中，彈簧測力計(jì)指針抖動(dòng)嚴(yán)重；并且由于它自身重力作用，無法使細(xì)線處于水平狀態(tài)；而且測力計(jì)的指針或拉桿極易碰到外殼，引入不必要的實(shí)驗(yàn)誤差。鑒于此，本文提出了一種實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案，希望可以克服這些不足。

1.2.2 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。整個(gè)裝置放于水平桌面上，將彈簧測力計(jì)豎直懸掛于鐵架臺(tái)的上橫桿上，自由端系一細(xì)線繞過光滑橫桿與滑塊A水平連接。調(diào)整光滑橫桿的高度使得細(xì)線與長木板平行，保證滑塊受到水平拉力作用。將細(xì)線的另一端掛在測力計(jì)上，調(diào)整測力計(jì)的位置，使得細(xì)線處于豎直狀態(tài)，保證測力計(jì)受到豎直向下拉力的作用。沿圖示v方向拖動(dòng)長木板B，則測力計(jì)的讀數(shù)T等于A、B間的滑動(dòng)摩擦力大小。

該實(shí)驗(yàn)方案引入鐵架臺(tái)，將彈簧測力計(jì)豎直懸掛，很好地克服了教材中設(shè)計(jì)方案由于測力計(jì)自重下垂而引起的實(shí)驗(yàn)誤差。鐵架臺(tái)的下橫桿是光滑橫桿，該處摩擦力較小，可忽略不計(jì)。

■

圖2 測量滑動(dòng)摩擦力大小的改進(jìn)方案圖

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）在安裝實(shí)驗(yàn)裝置之前，先用彈簧測力計(jì)稱出滑塊A的重力，并記錄數(shù)據(jù)于表1。

（2）按圖示要求連接裝置，調(diào)節(jié)測力計(jì)，使其處于豎直狀態(tài)，刻度盤面對操作者，且調(diào)整零刻度。

（3）將系有細(xì)線的滑塊A放于長木板B上，細(xì)線另一端繞過鐵架臺(tái)的光滑橫桿與測力計(jì)的自由端相連，且調(diào)整該橫桿的高度，使得細(xì)線與長木板平行。

（4）重新調(diào)整測力計(jì)位置，確保它受到豎直向下的拉力作用。

（5）沿圖示v方向拖動(dòng)長木板B，待測力計(jì)指針穩(wěn)定后，讀取測力計(jì)讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。

（6）按照表格1設(shè)計(jì)的情況分別往滑塊A上增加2個(gè)、4個(gè)和6個(gè)50 g的砝碼，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（5）的操作。

（7）數(shù)據(jù)處理。

可以按照教材中提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。但筆者建議該步驟可利用計(jì)算機(jī)Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)記錄、描點(diǎn)、畫曲線圖以及得到擬合曲線，并分析擬合曲線，得到滑動(dòng)摩擦力大小與正壓力之間的關(guān)系。

（8）實(shí)驗(yàn)完成，學(xué)生整理儀器。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

筆者利用本校現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材，本節(jié)課內(nèi)容根據(jù)本文提供的改進(jìn)方案，開展學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理，效果良好。其中一組學(xué)生數(shù)據(jù)如圖3所示。

■

圖3 滑動(dòng)摩擦力大小與正壓力關(guān)系的擬合曲線圖

由圖3可以明顯看到，f與正壓力N明顯成線性關(guān)系（R2=0.9999），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方便，結(jié)果明顯。圖中擬合曲線y=0.2173x+0.0028即f=0.2173N+0.0028。我們可以用一個(gè)參數(shù)代替斜率，即令μ=0.2173，同時(shí)令C=0.0028，則公式可改寫成f=μN(yùn)+C。

對于C值的解釋：得到任何一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)規(guī)律都必須經(jīng)過無數(shù)次精確測量。經(jīng)科學(xué)家們的無數(shù)次精確測量，發(fā)現(xiàn)C值無限趨近于0，即在理想情況下，f與N成正比關(guān)系。另外，從摩擦力產(chǎn)生的條件來看，其中之一就是要有壓力的產(chǎn)生。若無壓力即N=0時(shí)，則也沒有摩擦力，即f=0，故C=0。由此可以得到滑動(dòng)摩擦力大小與正壓力之間的關(guān)系f=μN(yùn)。

在傳統(tǒng)教材中，針對該節(jié)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，往往是得到數(shù)據(jù)后，通過手工描點(diǎn)、畫圖，得到一條直線，就說明在誤差允許范圍內(nèi)f與N成正比關(guān)系。筆者認(rèn)為，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到擬合函數(shù)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生分析，得到滑動(dòng)摩擦力的公式比傳統(tǒng)分析方法更加具有說服力，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生能夠利用已學(xué)過的知識來分析、解決物理問題的能力。

另外，對于引入的參數(shù)μ，引導(dǎo)學(xué)生觀察表格數(shù)據(jù)和圖像斜率，對比T/N的比值與斜率的大小關(guān)系。通過對比不難發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，T/N的比值等于斜率大小。同時(shí)，再通過改變木塊與長木板的接觸材料，如：在木塊底部貼上木料等，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，觀察表格T/N的比值和圖像斜率μ的變化，引導(dǎo)學(xué)生得到接觸面的粗糙程度不同直接引起斜率μ值不同的結(jié)論，并且接觸面越粗糙，斜率μ值越大。在物理學(xué)中，我們將T/N的比值和斜率μ定義為動(dòng)摩擦因數(shù)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析f-N圖像，并理解斜率的大小即為動(dòng)摩擦因數(shù)。

4 結(jié)束語

本文提出的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案能夠克服教材中所提供方案的不足之外，儀器準(zhǔn)備簡單，操作方便，便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，獲得真實(shí)體驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析更加科學(xué)，便于學(xué)生理解，教學(xué)效果更加理想。引入計(jì)算機(jī)軟件開展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，讓學(xué)生接觸一些現(xiàn)代化的科技手段，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代科技的能力，也實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信息技術(shù)與物理課程的整合。

另外，本改進(jìn)方案需要說明的是：

1）實(shí)驗(yàn)裝置中的鐵架臺(tái)光滑橫桿可以用定滑輪替代；

2）該方案操作過程較多，建議兩個(gè)或兩個(gè)以上學(xué)生配合完成，同時(shí)要求拖動(dòng)木板的學(xué)生為了合理有效地利用木板長度，該同學(xué)不宜過快拖動(dòng)；

3）利用該方案完成學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須跟學(xué)生分析清楚摩擦力的方向問題；

4）利用計(jì)算機(jī)Excel軟件或者Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對授課教師提出更高的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王文祥，王碩軍，弭寶國. 對摩擦力演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 教學(xué)與管理，2011，（18）：139.

[2]曹開錚.“探究影響摩擦力因素實(shí)驗(yàn)”的改進(jìn)方案[J].物理教學(xué)探討， 2009，（3）：61.

[3]章強(qiáng)，龐惠華.“摩擦力”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)[J].物理教師，2012，（11）：39.

[4]趙燕君.用DIS進(jìn)行滑動(dòng)摩擦力實(shí)驗(yàn)演示[J].物理教學(xué)，2010，（7）：27.

[5]鄒方云.用力學(xué)傳感器對摩擦力進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)， 2007，（01）：15.

（欄目編輯 鄧 磊）