滑動摩擦力實驗改進實例

■　湖北省荊州市實驗中學　湯祖軍

湖北省石首市新廠初級中學　張小青

滑動摩擦力實驗改進實例

■湖北省荊州市實驗中學湯祖軍

湖北省石首市新廠初級中學張小青

摩擦力是經典力學的一個概念，在初中學習甚至以后的高中學習階段都是一個重難點。摩擦力指兩個相互接觸的物體，當它們作相對運動或有相對運動趨勢時，在接觸面會產生一種阻礙相對運動或相對運動趨勢的力。滑動摩擦力是一個物體在另一個物體表面滑動時所產生的摩擦力。這時，相互接觸的兩個物體之間產生了相對運動，而滑動摩擦力具體表現為阻礙兩個物體之間的相對運動。因此，滑動摩擦力的方向與物體相對運動的方向相反。通過實驗我們可以得出滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度及兩個接觸面之間的壓力大小有關。具體的關系為：在接觸面受到的粗糙程度相同時，接觸面受到的壓力越大滑動摩擦力越大；在接觸面受到的壓力相同時，接觸面越粗糙滑動摩擦力就越大。在初中物理中，我們將摩擦力分為三種即靜摩擦力、滑動摩擦力和滾動摩擦力。

關于滑動摩擦力的教學卻是初中物理教學中一個難點和重點。摩擦力是初中物理力學中的最基礎的知識，是力學中重要的臺階，滑動摩擦力對于物體的受力分析以及作力的示意圖都很重要。它是今后學習運動和力、二力平衡、壓強、浮力等概念規律的基礎。

現使用的人教版物理教材中八年級下冊第八章第三節的內容為摩擦力，在該章節中有一個重要的實驗研究“影響滑動摩擦力大小的因素”。本實驗的核心內容是：用測力計測出滑動摩擦力。實驗方案的思想是：通過控制變量法測出滑動摩擦力，即在研究多因素問題時只改變多因素中的y一個量，而控制其他的量不變。從而探究得出影響滑動摩擦力大小的因素。

實驗中要測出滑動摩擦力的原理是根據二力平衡的知識，讓測力計水平拉動木塊作勻速直線運動。由于二力平衡彈簧測力計對木塊的拉力等于木塊受到的滑動摩擦力大小。這樣當指針示數穩定時，彈簧測力計的示數就等于木塊受到的滑動摩擦力的大小。多數教師在處理本節教材時，都有一種感覺：若按照所使用的人教版教材上的實驗裝置和步驟做實驗，不僅操作過程中難度比較大，而且實驗誤差大，以至通過實驗得出的結果與理論相反。這樣就迫使我們去尋找更好的方法來做該實驗，從而得到更加準確地實驗結果。

一、實驗存在的問題

課改后，關于人教版物理教材中探究滑動摩擦力大小的影響因素實驗有兩個版本。鑒于原人教版中實驗存在瑕疵，才出現了現行物理教材中的實驗改版。

該實驗的實驗原理為由于彈簧測力計的拉動下木塊做勻速直線運動，處于平衡狀態。此時根據二力平衡，彈簧測力計的示數就是木塊所受到的滑動摩擦力的大小。因此探究“影響滑動摩擦力大小因素”實驗是否成功，其關鍵在于彈簧測力計的拉力作用下木塊能否作勻速直線運動。實驗時誤差產生的兩個原因就是：一是不易在讓木塊做勻速直線運動；二是彈簧測力計的讀數不準確。（如果無法保證彈簧測力計做勻速直線運動，那么彈簧測力計的示數也就不穩定；還有一個方面接觸面較為粗糙，用測力計拉動木塊運動時，彈簧測力計本身在運動，不是處于靜止狀態的彈簧測力計的示數在不同的時刻有變化。這兩個方面的原因使彈簧測力計的示數不可靠。）課本的實驗中這兩個問題都沒有得到解決。一方面課本中是直接用手拉動彈簧測力計的，人為因素的影響很難使木塊一直做勻速直線運動，這樣彈簧測力計的示數就不能代表滑動摩擦力的大小；另一方面一直處于運動狀態的彈簧測力計的示數可靠性也不高。這樣兩方面的原因是實驗的結果并不可靠。

人教版的實驗如此，但老師在實際的教學中、和學生的交流中、在大小的考試中碰到的關于影響滑動摩擦力大小因素的問題卻不能如此解決。老師嚴謹的實驗態度，學生關于實驗的提問和設計，考試里關于實驗設計的探究等都逼迫老師進行滑動摩擦力實驗改進。

二、部分改進的方案

近年來，隨著實驗條件的改善、教改的深入，一些富有時代特色的“滑動摩擦力測量的實驗”層出不窮，本文將收集到的一些有代表性的方案進行介紹。

方法一

原理：使木塊在繩子的拉力下做勻速直線運動，木塊處于平衡狀態。根據二力平衡，木塊在木板上受到的滑動摩擦力的大小就等于繩子的拉力。而砝碼和砝碼盤也處于平衡狀態，根據二力平衡繩子的拉力等于砝碼和砝碼盤的重力。這樣測得砝碼盤和砝碼的重力就能夠知道木塊所受到的滑動摩擦力的大小。

方法描述：如圖，把長木板放在水平桌面上，通過滑輪連接砝碼和砝碼盤。往砝碼盤中加砝碼，在過程中調節，加減砝碼一直到手推一下摩擦塊后，木塊剛好能夠在長木板上做勻速直線運動。勻速直線運動處于平衡狀態，根據二力平衡，此時摩擦力的大小等于砝碼盤和砝碼的總重。

優點：這樣的設計或許能得到摩擦塊的勻速直線運動，利用木塊的重力拉動木塊比直接用手更加穩定。利用重力等于摩擦力避免了使用彈簧測力計讀數不穩定帶來的誤差。

缺點：調節過程比較繁瑣，況且尋找合適的砝碼組合讓摩擦塊做勻速直線運動也不是很容易。滑輪有一定的摩擦力對實驗也有一定影響。另外，如何判斷摩擦塊的勻速直線運動也是我們肉眼進行判斷的一個不好控制的環節。

方法二

原理:在水和水桶的重力的作用下使物體做勻速直線運動。勻速直線運動的物體處于平衡狀態，物體受到的滑動摩擦力等于水和水桶的重力。用彈簧測力計測出水和水桶的重力就可以知道物體所受到的滑動摩擦力的大小。

方法描述：在方法一的基礎上改進。實驗裝置如圖，在實驗時，往小桶中加入適量的水。使木板為水平狀態，在往小桶中用膠頭滴管滴入少量的水，直到物體木塊開始做勻速直線運動。根據二力平衡，木塊所受到的摩擦力的大小等于水桶和水的總重力。

優點：更容易使木塊勻速直線運動。膠頭滴管的使用能夠使調節更加精確。木塊受到的滑動摩擦力的大小就可以通過測桶和水的重力知道。

缺點：同樣不好判定木塊是否在長木板上做勻速直線運動，滑輪有一定的摩擦力會對實驗結果造成影響

方法三

原理：利在水和水桶的重力的作用下使物體做勻速直線運動。勻速直線運動的物體處于平衡狀態，物體受到的滑動摩擦力大小就等于水和水桶的重力。由于在實驗二中，學生不好判斷木塊是否在做勻速直線運動，從而對實驗產生了一定的影響。該實驗的改進之處就是增加一個小的裝置，用來判別木塊是否在做勻速直線運動。該判別器的構造如下①輕質指針，用鋁箔套或者輕質指針套著的大頭針作為指針的輕軸；②弧形標尺，用畫上均勻刻度的白色硬紙板的等物品做成；③支架。

方法描述：如圖所示的裝置中，使木板為水平狀態。不斷調節砝碼盤中砝碼的量直到木塊可以做勻速直線運動為止。并且利用判別器判斷木塊在滑動過程中是否一直在做勻速直線運動，即判斷指針的位置是否不變。木塊做勻速直線運動，處于平衡狀態。根據二力平衡，木塊所受到的摩擦力大小就等于砝碼和砝碼盤的重力。砝碼和砝碼盤的重力可以通過彈簧測力計得出。

優點：實驗時，用小指針位置的是否改變去判斷木塊是否在做勻速直線運動。因為物體在做勻速直線運動，根據二力平衡，木塊所受到的摩擦力大小就等于砝碼和砝碼盤的總重力。上述改進給我們的啟示是：實驗的操作難度降低了，系統誤差減小了，可觀測性提髙了，數據采集精準了，實驗者可以更加順利地完成教學中的任務。

缺點：判別器本身存在一定的誤差對判別木塊是否做勻速直線運動存在一定的影響。定滑輪的摩擦也會帶來一定的誤差，教師自己動手制作該實驗裝置也存在一定的難度。

方法四

原理：在書本上的實驗中讓彈簧測力計拉動木塊做勻速直線運動，彈簧測力計處于運動狀態中，這樣給彈簧測力計的讀數帶來了一定的誤差。為了使彈簧測力計的讀數準確，在實驗過程中應該盡量保證滑動彈簧測力計靜止。而摩擦力產生的條件之一就是要是木塊與長木板之間發生相對運動，而木塊與彈簧測力計相對于地面要保持靜止，可以抽動木塊下方的長木板。這樣既保證了木塊與長木板之間發生了相對運動，有使彈簧測力計相對于地面保持靜止狀態。在長木板的作用下，使木塊相對于長木板向左運動，相對于地面靜止，木塊處于平衡狀態。根據二力平衡，木塊所受到的滑動摩擦力的大小就等于彈簧測力計的示數。

方法描述：實驗裝置如圖，將彈簧測力計的一端固定住，另一端勾著小木塊。使位于木塊下方的長木板向右運動，木塊就相對于長木板做水平向左運動，木塊所受到的滑動摩擦力方向水平向右，與相對運動方向相反。木塊相對于地面保持靜止。木塊處于平衡狀態，根據水平方向上的二力平衡，彈簧測力計的示數大小就是木塊所受到的滑動摩擦力的大小。

優點：如圖裝置所測到的滑動摩擦力的大小與物體運動速度大小無關，不需要勻速拉動木板，木塊和他彈簧測力計處于靜止狀態，操作比較容易；同時測力計相對靜止，容易讀數。

缺點:此法是目前老師教學中采取的方法之一，但對于才接觸力學時間不長的初二學生來講理解卻不是很容易，剛接觸到二力平衡，此時要用二力平衡以及作用力與反作用力結合分析。并且接觸面粗糙，拉動時彈簧測力計的讀數不穩定。彈簧測力計懸空，彈簧自身的重力對彈簧測力計的讀數有一定的影響。

三、感悟

很多時候，我們做實驗只是按照書本上既定的模式去做，可在實驗過程中的不順利以及實驗結果的不準確迫使我們去想更多的改進方法。正如在這個實驗中，彈簧測力計讀數的影響以及很難保證木板在手拉動下去做勻速直線運動。這兩個大的缺陷讓教師們去尋找更多更好的方法，也許在這個過程中遇到了很多的困難，花費了很多的時間。但看到一個個好的方法呈現在我們面前，實驗做出來的效果更好，我們便覺得一切都很值得。

物理是一門以實驗為基礎的學科，本著科學態度和嚴謹的精神，我們一步步探索和發現。在實驗中學生不僅可以收獲知識，還可以提高對物理的興趣。這使老師們越來越重視實驗，完善實驗。

責任編輯鄭占怡