對摩擦力演示實驗的改進

　　一、傳統實驗方法存在的不足
　　傳統的摩擦力演示實驗，都是用彈簧秤拉著一個木塊在一“水平面”上運動，通過增加壓力、更換“水平面”來研究與摩擦力有關的因素。這種方法存在著如下不足：一是彈簧秤位于水平面上，只有前排少數學生能看到，可見度差；二是彈簧秤是運動的，學生不容易看清其讀數；三是人拉動彈簧秤時很難保證真正“勻速”運動，這樣就會使木塊的速度忽大忽小，致使木塊的加速度a不等于零，根據牛頓第二定律F拉-f=ma，此時木塊受到的摩擦力和拉力就不再是一對平衡力（即摩擦力f不等于拉力F拉，而彈簧秤的示數等于F拉），在實驗中的表現就是彈簧秤指針不停地跳動，并不能穩定地指在某一刻度處，這進一步增加了學生讀數的困難。
　　二、原因分析
　　筆者通過認真分析發現，該實驗效果不好的原因在于“彈簧秤水平放置；彈簧秤和木塊是運動的，且不能保證運動的勻速性”，造成學生看不到指針，少數學生圍攏過來后，看到的彈簧秤是運動的，并且指針也不穩定，造成讀數困難。假如把彈簧秤固定下來，并且面向學生，學生讀數就方便了；假如把移動“木塊”改為移動“水平面”，那么只要“木塊”和“水平面”有相對運動（或相對運動趨勢），當“木塊”靜止時，它受到的摩擦力f和彈簧秤的拉力F拉就是一對平衡力，即彈簧秤的拉力永遠等于“木塊”受到的摩擦力，而與“水平面”的運動是否“勻速”無關，彈簧秤的指針也能穩定地指在某一刻度處而不再跳動。
　　基于上述分析，筆者對實驗進行了改進，制作了摩擦力演示儀，有效地克服了上述缺點，取得了很好的實驗效果。
　　三、儀器的制作
　　本儀器的主體結構就是一個豎起來的彈簧秤，如圖1所示。
+EelHPR325tD9A8awockwg==　　1.制作思路
　　把一個彈簧秤固定在一個支架上，用定滑輪改變力的方向，實驗時拉動長木板，使木塊和木板之間產生相對運動或相對運動趨勢，用細線拉動彈簧秤掛鉤，使彈簧秤產生讀數。
　　2.所需器材
　　（1）光滑長方形木板：60cm×20cm×1cm的木板一塊（標記為A，用作底座），36cm×9cm×1cm的木板一塊（標記為B，用作支架的前面），36cm×3.5cm×1cm的木板兩塊（標記為C、D，用作支架的兩側），39cm×9cm×1cm的木板一塊（標記為E，用作支架的后面），40cm×2.5cm×1cm的木條兩根（標記為F、G，用作底板上的限位條），120cm×10cm×2cm的木板一塊（標記為H，用作摩擦面）。
　　（2）羊眼圈一個。
　　（3）量程為5牛頓的彈簧秤一支。
　　（4）輕質滑輪兩個，軸兩個。
　　（5）粗糙程度不同的布料兩條，1號砂布三張。
　　（6）10cm×8cm×4cm的木塊一個；細線若干；青霉素小藥瓶中的橡皮帽四個。
　　3.制作方法
　　（1）制作支架。首先，把B平放于操作臺上，把C、D立于B之上，一端對齊，用釘子固定；再把E放于C、D之上，用釘子固定，形成沒有上下底的方形盒子，用做彈簧秤支架。如圖2-a、2-b所示。其次，用A4紙打印彈簧秤刻度，貼于前面板正中位置。第三，在支架前面板的頂端中線上固定一個羊眼圈，用來懸掛彈簧。
　　（2）組裝底座。首先把上述“彈簧秤支架”用鐵釘豎直固定于木板A的一端，使作為摩擦面的長木板H正好能在底座A的中間左右抽動。支架的總厚度正好使其前面板落在長木板H的中線上。如圖1-b所示。為增加其穩定性，可在支架背后與A聯接處固定一木塊。其次，在底座A上固定限位木條F、G，形成一個滑槽。第三，把四個小橡皮塞固定于底板A下面的四個角處，作為支腳。
　　（3）安裝彈簧。取下成品彈簧秤的彈簧、掛鉤及指針，掛在頂端的羊眼圈上。
　　（4）安裝定滑輪A、B。把作為摩擦面的木板H置于滑槽中，把木塊平放在H上，在拉環上拴好細線并拉緊。定滑輪A的位置，應該正好使拉動木塊的細線處于水平位置，拉彈簧的細線處于豎直位置。把木塊豎起來放置，定滑輪B的位置，仿照定滑輪A安裝。如圖1-a。
　　至此，整個儀器制作完畢。
　　四、實驗方法
　　實驗1、研究滑動摩擦力與接觸面積大小的關系
　　把木塊水平放置在摩擦面H上，細線跨過定滑輪A，拉動木板H，待木塊靜止后，讀取彈簧秤讀數；把滑塊側放在摩擦面H上，細線跨過定滑輪B，再次讀取讀數，比較可知，兩次讀數相同。
　　實驗2、研究滑動摩擦力與正壓力的關系
　　把木塊水平放置在木板H上，細線跨過定滑輪A，拉動木板H，待木塊靜止后，讀取彈簧秤讀數；在滑塊上放置不同質量的砝碼，再次實驗，分別讀取彈簧秤讀數。比較各次讀數和壓力的關系，即可得出摩擦力與正壓力成正比。
　　實驗3、研究滑動摩擦力與接觸面粗糙程度的關系
　　在木板上分別固定薄布、絨布、砂紙，把滑塊水平放置在木板上，拉動木板，待木塊靜止后，分別讀取彈簧秤讀數。比較三次讀數，即可得出摩擦力大小與接觸面粗糙程度的關系。
　　實驗4、研究靜摩擦力的大小和方向、靜摩擦力存在最大值
　　把木塊置于木板上，緩慢拉動木板，使木板和木塊間有相對運動的趨勢，并保持木塊和木板間相對靜止，觀察彈簧秤讀數；逐漸加大拉力，保持木塊和木板間的相對靜止，再次讀取彈簧秤讀數，直至達到最大靜摩擦力。由于在這期間木塊總是處于平衡狀態，且水平方向只受到拉力和靜摩擦力的作用，所以很容易地就能突破“在達到最大靜摩擦力之前，靜摩擦力的大小總是和外力的大小相等（隨外力的變化而變化），其方向總是和相對運動的趨勢方向相反”這一力學中的難點。
　　進一步增大拉力，在達到最大靜摩擦力之后，木塊和木板間開始出現相對滑動，說明靜摩擦力存在一個最大值。
　　五、說明
　　當木塊和木板之間出現相對滑動后，彈簧秤讀數與拉動木板的速度大小無關，但不能太慢。不能出現最大靜摩擦和滑動摩擦之間變換的情況。
　　參考文獻
　　[1] 物理通報雜志社.九年義務教育三年制初級中學教科書物理（第一冊）.北京：北京教育出版社，2001.
　　[2] 人民教育出版社物理室.九年義務教育三年制初級中學教科書物理（第一冊）.北京：人民教育出版社，1993.
　　[3] 人民教育出版社物理室.中等師范學校教科書（試用本）物理學第一冊.北京：人民教育出版社，1995.
　　（責任編輯劉永慶）