“稱”出摩擦力的方向

徐忠岳

(舟山市東海中學,浙江舟山 316000)

實驗是物理教學的靈魂,不過有些物理規律的教學往往被認為比較簡單或認為“眾所周知”而無需實驗證明,摩擦力方向的教學就是其中之一.不少教師只是通過簡單的實例分析就想當然地得出了摩擦力的方向:總是沿著接觸面,且與物體相對運動或相對運動趨勢的方向相反,比如置于水平面上的木塊受到一個向右的水平拉力且保持靜止,則靜摩擦力的方向水平向左且大小與拉力相等.比較有心的教師則通過手心與桌面之間或手心與板刷之間的摩擦來感受摩擦力的方向.本人認為這些做法缺乏嚴謹,比如對于木塊來說即使它受到的摩擦力并不沿著水平面也可以使木塊保持靜止;再如毛刷彎曲情況并不足以證明摩擦力的方向是沿著接觸面的,因為一個并不沿著接觸面的力也可以使毛刷達到相同的彎曲狀態.下面介紹如何用桌秤來證明摩擦力的方向,本實驗可以豐富學生對壓力及摩擦力的感性認識,也有利于思辨能力的訓練,同行們不妨一試!

圖1

如圖1所示,本實驗采用的桌秤是鈺恒電子(廈門)有限公司生產的型號為JWE-15K的計重桌秤,量程為15 kg,感量為0.5 g.把一個木塊放在水平放置的桌秤上,讀出桌秤的示數,然后用繩子斜向上和斜向下拉一下木塊,發現桌秤的示數分別變小和變大.把繩子的另一端掛在定滑輪上,并在繩子上懸掛一個鉤碼,調節繩子的方向使之與桌秤面平行,接著繼續往繩子上掛鉤碼,學生們會驚訝地發現:與接觸面平行的力并不會改變木塊對桌秤的壓力大小.此時問學生:“這一現象能否證明靜摩擦力的方向也是沿著接觸面的?”.學生在好奇心的驅使下可得出這樣的結論:隨著鉤碼數的增多,木塊所受的靜摩擦力不斷增大,但靜摩擦力的增大并沒有影響木塊對桌秤的壓力,所以靜摩擦力的方向肯定是沿著接觸面的,假如它不沿接觸面則必然改變木塊對臺秤的壓力.隨后,繼續增加鉤碼,直至木塊滑動,可以看到在木塊滑動時桌秤的示數依然不變,可見滑動摩擦力也是沿著接觸面的.

如圖2所示,可以用相同的方法證明當接觸面傾斜時,摩擦力的方向也是沿著接觸面的.

圖2

注意,繩子方向是否與接觸面平行是本實驗成敗的關鍵,為了提高演示效率,應事先標記好鐵架臺與桌秤之間的距離和鐵夾的高度.連接木塊與鉤碼的繩子要盡可能長,這樣可以減小鐵夾高度調節不當引起的誤差.如果采用普通稱量蔬菜水果的電子臺秤(感量為5 g),那么對繩子方向的要求就可以降低,這樣操作起來反而簡便,且提高了實驗成功率;不過由于精度不高,用這種臺秤來測量安培力、研究壓力與重量的關系等,效果就不太好了;如果需要更高精度的桌秤,可以選擇JWE-3kg型桌秤,它的精度可達0.1 g,可與托盤天平媲美!

學習力的合成與分解后,學生還可以證明當繩子的拉力不沿接觸面時,摩擦力的方向也是沿著接觸的.桌秤還可以廣泛用于輔助受力分析,比如用來研究力的合成與分解規律、重量與壓力的關系、超重與失重、拱橋模型、稱量安培力等.隨著傳感技術的成熟與普及,計重桌秤的性價比不斷提高,是一個值得推廣的現代化教具!