“研究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

安徽省太和縣第三中學(xué)(236600) 劉啟立

“研究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”的實(shí)驗(yàn)是初中物理的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生對(duì)兩個(gè)物體之間的滑動(dòng)摩擦力與它們之間的正壓力以及兩個(gè)物體接觸面粗糙程度之間的定性關(guān)系有一個(gè)直觀的了解和認(rèn)識(shí)。筆者發(fā)現(xiàn)，不同版本的初中物理教科書設(shè)置的“研究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”的實(shí)驗(yàn)，盡管實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)略有不同，但基本方法是一樣的，具體實(shí)驗(yàn)方法如圖1所示：

圖1 初中物理教科書上的實(shí)驗(yàn)方法示意圖

(1)用彈簧測(cè)力計(jì)勻速拉動(dòng)木塊，使它沿水平長(zhǎng)木板滑動(dòng)，運(yùn)用二力平衡知識(shí)測(cè)出木塊與長(zhǎng)木板之間的滑動(dòng)摩擦力。

(2)改變放在木塊上的砝碼，從而改變木塊對(duì)長(zhǎng)木板的壓力，測(cè)出壓力改變之后木塊所受的滑動(dòng)摩擦力。

(3)換用材料相同但表面粗糙的長(zhǎng)木板，保持木塊上的砝碼不變，測(cè)出此種情況下的滑動(dòng)摩擦力。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可總結(jié)滑動(dòng)摩擦力與兩個(gè)物體接觸面的粗糙程度及它們之間壓力大小的定性關(guān)系。

1 教材中原實(shí)驗(yàn)的缺陷和不足

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以發(fā)現(xiàn)教科書設(shè)置的實(shí)驗(yàn)中存在以下不足：

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)，用手直接拉彈簧測(cè)力計(jì)讓木塊滑動(dòng)，雖操作簡(jiǎn)單，但木塊在木板上滑動(dòng)時(shí)，很難保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此，拉動(dòng)木塊的過程中，大多可以明顯觀察到到運(yùn)動(dòng)中的彈簧測(cè)力計(jì)指針?biāo)鶎?duì)的示數(shù)無法保持恒定，這會(huì)導(dǎo)致讀取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差過大。

(2)實(shí)驗(yàn)中改變接觸面間的壓力是通過增減鉤碼數(shù)量來實(shí)現(xiàn)的。盡管這種操作方式方法簡(jiǎn)單，但是，對(duì)于剛學(xué)習(xí)物理不久的初中學(xué)生來說，認(rèn)識(shí)事物還很感性，他們大多會(huì)認(rèn)為不斷增減鉤碼數(shù)量就是在改變物體的質(zhì)量或者重力。于是就出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)束歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)，盡管教師不斷引導(dǎo)是壓力影響了滑動(dòng)摩擦力大小，但還是有相當(dāng)一部分學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為是質(zhì)量或重力影響了兩個(gè)物體之間的滑動(dòng)摩擦力。從多次測(cè)試學(xué)生回答影響滑動(dòng)摩擦力大小因素時(shí)，學(xué)生的答案中即可看出這一點(diǎn)。筆者認(rèn)為可以通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法來改變接觸面間的壓力，能讓學(xué)生更容易得出壓力是影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素。

考慮到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及實(shí)驗(yàn)操作的可行性，筆者對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)如下。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

彈簧測(cè)力計(jì)、細(xì)線、磁鐵(2塊)、毛巾、棉布、帶有定滑輪的長(zhǎng)木板。

2.2 針對(duì)第(1)點(diǎn)不足，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案

如圖2所示，將彈簧測(cè)力計(jì)懸吊起來，把平放于毛巾上的磁鐵一端用細(xì)線通過定滑輪與彈簧測(cè)力計(jì)相連，緩慢拉動(dòng)毛巾，這時(shí)磁鐵塊受拉力和毛巾對(duì)它的滑動(dòng)摩擦力而平衡。操作過程中發(fā)現(xiàn)磁鐵塊相對(duì)木板保持靜止，彈簧測(cè)力計(jì)指針穩(wěn)定不動(dòng)，所以讀取數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確。另外，這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將彈簧測(cè)力計(jì)沿豎直方向懸吊，可以很好地把彈簧測(cè)力計(jì)自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響平衡掉，實(shí)驗(yàn)效果非常好。

2.3 針對(duì)第(2)點(diǎn)不足，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案

2.3.1 方案1

如圖2(a)所示，緩慢拉動(dòng)毛巾，讀出此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，測(cè)出磁鐵塊所受毛巾滑動(dòng)摩擦力大小。

如圖2(b)所示，在長(zhǎng)木板的下方放置另一磁鐵塊，使此磁鐵塊和毛巾上的磁鐵塊的異名磁極正對(duì)，兩磁鐵彼此吸引，然后緩慢拉動(dòng)毛巾(實(shí)驗(yàn)操作中可以發(fā)現(xiàn)，拉動(dòng)毛巾時(shí)，兩磁鐵塊是相對(duì)靜止不動(dòng)的)，讀取彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，測(cè)出此時(shí)磁鐵塊所受滑動(dòng)摩擦力。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用圖2(b)所示的方式進(jìn)行改變磁鐵與毛巾間的壓力實(shí)驗(yàn)，滑動(dòng)摩擦力變化非常明顯。利用磁極間相互作用規(guī)律(異名磁極相互吸引)來增大磁鐵與毛巾接觸面間的壓力，通過這種方式改變接觸面間的壓力，學(xué)生可以清楚看到實(shí)驗(yàn)操作中并沒有改變磁鐵的質(zhì)量或者重力，更有利于學(xué)生得出壓力是影響滑動(dòng)摩擦力的因素這一正確結(jié)論。

圖2 方案1裝置

為了得到更具一般性的結(jié)論，需要不斷改變壓力大小。為此，可以選擇幾個(gè)磁性強(qiáng)弱不同的磁鐵先后分別放在圖2(b)所示的木板下方正對(duì)上面磁鐵的位置(異名磁極相對(duì)放置)，再勻速拉動(dòng)毛巾，讀取測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，測(cè)量磁鐵與毛巾之間的滑動(dòng)摩擦力。當(dāng)然，為了讓學(xué)生直觀的感受到壓力的變化，可以在每次更換磁鐵之前，用彈簧測(cè)力計(jì)將木板上方的磁鐵緩慢吊起，測(cè)量出最大拉力(亦即磁鐵與毛巾之間的正壓力——該壓力大于上面磁鐵的重力)。

2.3.2 方案2

如圖3所示，木塊與毛巾之間的摩擦力的測(cè)量依然用上述改進(jìn)方法來進(jìn)行——用懸吊起來的彈簧測(cè)力計(jì)并結(jié)合固定于木板上的定滑輪來進(jìn)行測(cè)量。木塊與毛巾之間的壓力大小可以通過下面的方法進(jìn)行：細(xì)線的一端栓在木塊上，繞過上面懸掛的定滑輪之后，在細(xì)線另一端懸掛鉤碼，通過改變鉤碼的個(gè)數(shù)來改變細(xì)線對(duì)木塊的拉力，從而改變木塊與毛巾之間壓力的大小，壓力改變之后，用手拉動(dòng)毛巾，觀察并記錄彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)(亦即木塊與毛巾之間的滑動(dòng)摩擦力)。

圖3 方案2裝置

課堂教學(xué)中筆者采用這樣的改進(jìn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過教學(xué)發(fā)現(xiàn)，不論是通過磁鐵之間相互作用的方法來改變兩個(gè)物體之間的壓力，還是通過懸掛鉤碼對(duì)物體拉力的方法來改變壓力，學(xué)生都會(huì)直觀的認(rèn)識(shí)到壓力改變的同時(shí)，研究對(duì)象物體的質(zhì)量和重力都沒有改變。學(xué)生就不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力的大小跟物體的質(zhì)量或物體重力有關(guān)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)語

作為教師，在教學(xué)過程中應(yīng)力爭(zhēng)做到以學(xué)生為主體，分析學(xué)生在哪些地方理解知識(shí)可能存在困難，教學(xué)內(nèi)容怎樣安排才能更利于學(xué)生構(gòu)建知識(shí)。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是如此，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)深入分析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和不足，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更到位、更透徹。