用氣墊導軌裝置演示靜摩擦力實驗
2007-12-31 00:00:00羅桂新
物理教學探討 2007年19期
1問題的提出
在高中物理教學中，判斷物體是否具有相對運動趨勢以及靜摩擦力是否存在的問題？學生頗感迷惑，怎樣給學生講清楚是教學的難點。老師在教學中通常用一把測力計拉一個放在桌面的木塊或用J12175摩擦力演示器來演示靜摩擦力。這兩種演示方法有共同點：其一，僅限于二力平衡求解的情形，物體是否具有相對運動趨勢及靜摩擦力的大小都是通過測力計示值決定的。
這容易將學生帶入認知的誤區，不利于準確反映物體在一定條件下有相對運動趨勢。其二物體有相對運動趨勢是推測認定，只停留在“說”，并不能使物體真正作相對運動來印證。而且演示形式單一。
為了解決上述問題，筆者用氣墊導軌來演示靜摩擦力。J2125氣墊導軌是利用氣墊原理來工作的實驗儀器。它把通常的接觸滑動摩擦變為空氣的內摩擦，能量損失很小。若給氣墊導軌的滑塊在沒有“氣墊”時設置幾種不同的處境，再分別觀察滑塊在“氣墊”上的運動狀況，就容易確認靜止的滑塊相對導軌是否有運動趨勢及運動趨勢的方向，進而確定有無靜摩擦力及其方向。達到較好突破教學難點之目的。
2演示內容和操作方法：
(1）在常態(無氣墊狀態)，滑塊靜止在導軌上時，滑塊相對導軌是否有運動趨勢以及是否有靜摩擦力?相對運動趨勢及其靜摩擦力方向如何確定?
①調整導軌大致水平。置滑塊(質量約200g)于導軌中部，給牽引滑塊的砝碼桶中添加約幾克砝碼但滑塊仍然靜止。此時滑塊相對導軌有向牽引方向的運動趨勢和有與相對運動趨勢方向相反的靜摩擦力。打開氣源，觀察到滑塊沿牽引方向運動，即表明和驗證了上述推斷的正確性。
②調整導軌稍傾斜。為便于測出靜摩擦力的大小，在滑塊上加砝碼，使兩者總質量約400克。置滑塊于導軌中部，因滑塊重量平行導軌斜面向下的分力與靜摩擦力彼此平衡，滑塊靜止。但不是在水平狀態的滑塊有沿導軌向下方相對運動趨勢和與相對運動趨勢反問的靜摩擦力。
為使學生確信這一事實，打開氣源，觀察到滑塊在氣墊上平行導軌向下方運動。即確認了推斷的正確性。此時，也可用力傳感器測出滑塊重量平行導軌斜面向下的分力的大小，即F≈5×10-2N，也就是滑塊靜止時靜摩擦力的大小，F=F靜(兩力方向相反)。
(2）在導軌的一端下方墊一木塊使導軌傾角約成5°。滑塊和砝碼兩者總質量約400克。再把橡皮筋的一端固定在滑塊上，另一端固定在導軌堵板。置滑塊于導軌上面。提問：在常態，靜止的滑塊相對導軌是否有運動趨勢及方向如何?如圖1所示。
①兩力的合力為0時靜摩擦力的演示。
先確定滑塊重量平行導軌斜面向下的分力與橡皮筋彈性形變產生的拉力，找出這兩力的合力為0時滑塊的平衡點。方法是將滑塊放在導軌上，打開氣源，滑塊會來回運動幾下后便停止，滑塊停下的位置即是平衡點。然后，斷開氣源待演示。若需演示時再次打開氣源，觀察到滑塊不動。說明滑塊在兩力平衡點位置沒有相對運動趨勢，靜摩擦力為0。
②三力的合力不為0時靜摩擦力的演示。當滑塊重量平行導軌斜面向下的分力與橡皮筋的拉力、靜摩擦力共同作用，三力的合力不為0時：
a.置滑塊于導軌平衡點位置的下方。打開氣源，觀察到滑塊會平行導軌向上運動。說明滑塊在常態時有平行導軌向上相對運動趨勢，受靜摩擦力且方向平行導軌向下。
b.置滑塊于導軌平衡點位置的上方，使橡皮筋稍拉長但又不要拉力過大。打開氣源，觀察到滑塊會沿導軌向下運動。說明滑塊在常態時有相對導軌的運動趨勢，方向平行導軌向下，有靜摩擦力及方向平行導軌向上。
3演示實驗的優點
（1）實驗方法的改良與創新，體現正確的物理教學理念和科學有效的教學方法。利于培養學生學會辨證地看問題和發散性思維。
（2)通過演示實驗，仔細觀察滑塊運動趨勢，結果便一目了然。使靜摩擦力抽象教學變得生動具體。有助于學生對靜摩擦力概念的分析和理解。提高了教學效率和質量。
（3)對實驗儀器靈活變通地運用，挖掘并拓展現有儀器教學潛能。
（4)實驗現象明顯，可信度高，重復性好。
(欄目編輯王柏廬)
