“滑動摩擦力演示儀”教具的改進與創新

黃樹清 陳睿涵 周亞斌

(福建師范大學物理與能源學院 福建 福州 350117)

在中學物理教學中，“滑動摩擦力”一直占據非常重要的地位，作為典型的初高中知識相銜接的內容，它具有承上啟下的作用[1].然而教科書中對于不同情況下滑動摩擦力的方向判別、性質等知識點并沒有相對全面的說明，教師在授課中通常只是簡單舉例，學生很難親身感受，深入理解.這時，教具的使用很好地改進和創新了傳統滑動摩擦力演示儀中存在的諸多不足，解決教學難點，突破思維“痛點”[2].

1 傳統滑動摩擦力方向演示儀的缺陷

在司南版高中物理必修1第4章“相互作用”的第3節“摩擦力”的教學中，教師給學生演示滑動摩擦力方向主要采用如圖1所示的教具.

圖1 傳統滑動摩擦力方向演示儀

使用該教具時，教師將板刷在桌面的上方左右滑動，讓學生觀察刷毛彎曲的方向來判斷滑動摩擦力的方向.然而，該實驗中板刷的運動方向總是與板刷相對桌面的運動方向相同，即板刷所受滑動摩擦力總是與運動方向相反，因此教師并不能較好地引導學生區分滑動摩擦力方向與物體運動方向、相對運動方向的關系.本文針對傳統滑動摩擦力演示儀中存在的缺陷進行優化與創新，得到了較好的實驗結果，更有利于學生對滑動摩擦力的學習.

2 滑動摩擦力演示儀的改進與創新

2.1 滑動摩擦力演示儀簡介

如圖2所示，儀器的主體部分是一個內側裝有軌道的支架，在支架上放一塊墊板.墊板的左端穿有一條細繩，通過拉動細繩可使墊板在支架的軌道上運動.為了構建出疊加體，在墊板上放一個物塊，通過細繩拉動墊板，使支架、墊板、物塊三者之間發生相對運動.實驗前，分別在支架、墊板、物塊的同一水平位置做好標記，以便實驗中直觀地確定它們之間的相對位置.

圖2 滑動摩擦力演示儀

2.2 探究滑動摩擦力性質的實驗

2.2.1 實驗一:操作過程與現象分析

我們將墊板拖至支架的右端，物塊放在墊板上，讓3個紅色標記對齊；瞬間向左拉動墊板，物塊和墊板一起向左運動，二者均停止后，觀察物塊的運動方向以及物塊相對于墊板的運動方向，并判斷物塊所受滑動摩擦力的方向.

以上實驗結果顯示，此時物塊的標記位于支架標記左邊、墊板標記右邊，從而得知它的運動方向朝左，相對墊板的運動方向朝右，在此過程中，滑動摩擦力帶動物塊由靜止向左運動，即滑動摩擦力方向朝左.

2.2.2 實驗二：操作過程與現象分析

把墊板放在軌道的左端，和支架相碰，再把物塊放在墊板上，讓物塊和墊板的標記對齊，并在支架上做好標記.將物塊和墊板向右移動一段距離后再用繩子拉動墊板，讓物塊和墊板一起向左運動，直到墊板碰到支架.

實驗結果顯示，在墊板停止運動后，物塊繼續向左運動一段時間才停下，此時物塊的標記位于支架和墊板標記的左側，即物塊的運動方向及其相對運動方向均向左.而從實驗現象可知滑動摩擦力使物塊從運動變成靜止，阻礙了物塊的運動，因此物塊受到與運動方向相反的滑動摩擦力.

2.2.3 實驗三：操作過程與現象分析

先將墊板放在軌道的右端，再把物塊放在墊板上，讓3個標記對齊.然后將物塊用線與支架右端相連，使物塊無法向左運動.

當向左拉動墊板時，物塊的標記移至墊板的右邊，即被細線拉住的物塊相對支架靜止，相對墊板向右運動.當我們剪斷繩子，重復實驗發現物塊會向左運動，說明繩子上的拉力阻止物塊向左運動，滑動摩擦力的方向向左.

2.3 實驗結果與討論

為了進一步得出實驗結論，我們將上述3個實驗得到的實驗結果記錄在表1中進行比較,實驗結果比較分析闡述如下.

從表1縱向觀察，我們發現物塊所受滑動摩擦力的方向與物塊運動的方向既有相同也有相反，卻總是與物塊相對墊板運動的方向相反.說明：滑動摩擦力方向與物體運動方向無關，與相對運動方向總是相反.

表1 實驗結果

從表1橫向觀察，在實驗一中，我們發現物塊運動方向與滑動摩擦力方向相同，即滑動摩擦力充當物體運動的動力；通過實驗二，我們發現物塊運動方向與滑動摩擦力方向相反，即滑動摩擦力充當物塊運動的阻力.由此說明：不同情況下，滑動摩擦力既可作為動力，也可作為阻力.

在實驗三中，雖然物塊相對支架保持靜止，但相對與之接觸的墊板運動，因此物塊仍能受到滑動摩擦力.實驗結果表明：并非只有運動物體能受到滑動摩擦力，靜止的物體也可以受到滑動摩擦力.

分析物體是否受到摩擦力時，一定要看它與哪些物體接觸或連接，還要看這些物體的相對運動狀態或相對運動趨勢，只有這樣，才能得出正確結果.

3 結束語

優化創新后的滑動摩擦力演示儀有效地解決了教學上的部分難題，還增加了很多新的功能，其擁有實驗現象明顯、實驗內容豐富、制作方便等優勢，能夠較好地提升“滑動摩擦力”這一章節的教學效果.最后，希望我們的工作和結論能給同行教師們帶來一定的參考和借鑒作用.