從近三年江蘇高考實驗題看摩擦力影響的消除①

徐 超 盛云生

(1. 江蘇省南京市雨花臺中學，江蘇 南京 210012；2. 江蘇省南京市雨花臺區教育局，江蘇 南京 210012)

近三年江蘇高考力學實驗題都考查了消除摩擦力的影響，教師在平時實驗教學中多次涉及，但仍有許多學生不能正確掌握，本文系統梳理這一問題。

1 為什么需要消除摩擦力的影響

1.1 物理思想的體現

回顧經典力學發展歷程，最早是伽利略研究自由落體運動時，觀察到阻力對運動的影響很大，在忽略阻力影響的情況下，重的物體和輕的物體下落得一樣快，第一次將阻力對運動規律的影響展現在物理學研究中。接著，伽利略又通過理想斜面實驗，運用邏輯推理得出結論：如沒有摩擦力的作用，物體將一直運動下去，為牛頓第一定律的建立奠定了基礎。物理學的研究就是在抓住事物的主要矛盾、忽略次要矛盾中總結出來的，減小阻力的影響更容易抓住運動的本質。

1.2 實驗簡化的需要

2 怎樣消除摩擦力的影響

在中學物理實驗中主要從三個方面消除摩擦力的影響：消除摩擦力存在的條件、利用物體所受重力的分力平衡摩擦力和利用外加小物體的重力平衡摩擦力，下面結合高考題來進行分析。

2.1 利用物體所受重力的分力平衡滑動摩擦力

在傾斜的軌道上物體所受的重力有沿斜面向下的分力，調節斜面，當傾角合適時沿斜面向下的分力等于摩擦力，mgsinθ=μmgcosθ，實驗中我們可以將沒有滑輪的一端墊高來實現這一要求。

例1(2017年江蘇高考):利用如圖1所示的實驗裝置探究恒力做功與物體動能變化的關系，小車的質量為M=200.0g，鉤碼的質量為m=10.0g，打點計時器的電源為50Hz的交流電。

圖1

(1) 掛鉤碼前，為了消除摩擦力的影響，應調節木板右側的高度，直至向左輕推小車觀察到。

本題所考查的消除摩擦力影響的方法與學生平時實驗的方法一致，所以學生很快會得出正確結論。

2.2 利用外加物體的重力平衡摩擦力

可以根據需要加入適量砂子等，使其重力與滑動摩擦力大小相等，這樣就可以起到平衡摩擦力的作用。

例2(2019年江蘇高考):某興趣小組用如圖2所示的裝置驗證動能定理。

從表1和表2的均方根誤差可以看出，總體上顆粒物濃度存在系統性偏高,但預報濃度變化趨勢與監測存在相關性。

圖2

保持長木板水平，將紙帶固定在小車后端，紙帶穿過打點計時器的限位孔。實驗中，為消除摩擦力的影響，在砝碼盤中慢慢加入沙子，直到小車開始運動。同學甲認為此時摩擦力的影響已消除。同學乙認為還應從盤中取出適量沙子，直至輕推小車觀察到小車做勻速運動?？捶ㄕ_的同學是(選填“甲”或“乙”)。

本題考查兩種不同平衡摩擦的觀點，有一定的迷惑性。兩個同學都在平衡摩擦力，很多考生難以做出判斷，其實甲同學平衡的是最大靜摩擦力，乙同學平衡的是滑動摩擦力，本實驗需要平衡滑動摩擦力，所以乙同學正確。相比而言，對于以下問題回答錯誤的同學就更多了。

例3(2018年江蘇高考)：某同學利用如圖3所示的實驗裝置來測量重力加速度g。細繩跨過固定在鐵架臺上的輕質滑輪，兩端各懸掛一只質量為M的重錘。實驗操作如下：

圖3

① 用米尺量出重錘1底端距地面的高度H；

② 在重錘1上加上質量為m的小鉤碼；

③ 左手將重錘2壓在地面上，保持系統靜止。釋放重錘2，同時右手開啟秒表，在重錘1落地時停止計時，記錄下落時間；

④ 重復測量3次下落時間，取其平均值作為測量值t。

請回答問題：會引起實驗誤差?，F提供一些橡皮泥用于減小該誤差，可以怎么做?

滑輪的摩擦阻力很小，在中學物理實驗中一般不予考慮，所以很多考生剛接觸時完全不知道從何入手，仔細分析一下，可以看出：當重錘1下落、重錘2上升時阻力與運動方向相反，粘一點橡皮泥在重錘1的下面，可以用橡皮泥的重力消除摩擦力的影響。

2.3 利用氣墊導軌減小摩擦力

氣墊導軌是利用氣流讓滑塊懸浮在空中，從而大大減小摩擦力，一般在中學實驗中可以認為調節水平后的導軌與滑塊之間不存在摩擦力。

例4：如圖4所示是小明同學“探究加速度與力的關系”的實驗裝置，他在氣墊導軌上安裝了一個光電門B，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細線繞過氣墊導軌左端的定滑輪與力傳感器相連，傳感器下方懸掛鉤碼，每次滑塊及遮光條都從位置A處由靜止釋放。

圖4

氣墊導軌和滑塊可以最大程度減小摩擦力的影響，然而調節水平的要求較高，作為學生分組實驗不多見，最常見的還是小車與軌道組合。

3 怎樣驗證消除摩擦力的效果

3.1 觀察法

消除摩擦力影響之后，物體在運動方向所受合外力為零，所以輕推一下，物體即做勻速直線運動，在江蘇高考物理中也是這么表述的。

如2019年江蘇高考物理題的表述為：同學乙認為還應從盤中取出適量沙子，直至輕推小車觀察到小車做勻速運動。甲同學利用砂子平衡的是最大靜摩擦力，而最大靜摩擦力大于滑動摩擦力，所以不能采用。

2018江蘇高考題中提及：由于摩擦阻力的影響，會產生系統誤差，可利用平衡摩擦阻力的方法，其方法為在重錘1上粘上橡皮泥，調整橡皮泥的質量，輕拉重錘1時能觀察到其勻速下落。

3.2 實驗驗證

圖5

近三年江蘇高考物理題中關于消除摩擦的影響驗證，都是“觀察到物體勻速運動”，這樣真的可行嗎？

筆者認為勻速運動和加速度較小的運動在短時間內，僅僅通過觀察來區分很難實現，其實僅僅憑借觀察很容易出現平衡摩擦不足或者平衡摩擦過度的問題，如圖5所示，有這樣三種可能，即剛好平衡摩擦力、平衡摩擦不足和平衡摩擦過度，而這僅僅憑借觀察是很難區分出來的。所以，以上的表述很不嚴謹，我們完全可以在觀察的基礎上加一個步驟，即利用打點計時器與紙帶驗證物體運動是否做勻速直線運動。

是不是一定要平衡摩擦力？其實可以利用α-F圖像計算出摩擦力的值，學生在理解合力之后再看這個實驗時，完全可以讓學生找出摩擦力的值，如圖6所示，這個圖線沒有通過原點，究其原因是由摩擦力造成的，可以讀出摩擦力的數值為0.5N。

圖6

綜上所述，消除摩擦力影響是實驗簡化的需要，更是物理知識的綜合運用，通過探究消除摩擦力影響的措施，培養了學生的探究能力，訓練了學生的科學思維，提升了他們的核心素養。