滑動摩擦力與重力關系的實驗設計與探究

滑動摩擦力與重力關系的實驗設計與探究

李忠福

(扎蘭屯市達斡爾民族學校 內蒙古 呼倫貝爾162656)

摘 要：要糾正滑動摩擦力與重力成正比這個錯誤觀點,教師們做的實驗都不盡合理,需要重力變化而摩擦力不變的實驗才行.為此，設計了一個探究實驗.

關鍵詞：摩擦力重力壓力控制變量變化不變

收稿日期：(2015-04-28)

在探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關時,教師引導學生分別做了兩項探究.第一項探究,用彈簧測力計勻速拉動同一木塊(壓力不變)分別在粗糙程度不同的平面(玻璃面、木板面、毛巾面等)上滑動,觀察彈簧測力計示數得到:壓力不變時,接觸面越粗糙滑動摩擦力越大.第二項探究,用彈簧測力計勻速拉動同一木塊在同一(粗糙程度相同)面上滑動,分別在木塊上加不同的砝碼,觀察彈簧測力計示數得到:接觸面粗糙程度相同時,壓力越大滑動摩擦力越大.

在本節教學中,因學生經常見到物體是放在水平面上,其壓力大小等于重力大小,很多學生認為重力越大滑動摩擦力越大.為了糾正這個錯誤觀點,教師常做第三項探究,下面分情況表述.

實例1:如圖1,讓學生將接觸面豎起來,用手壓著木塊推動,會感覺到摩擦力的存在.教師解釋到,接觸面間的壓力并不是由于木塊的重力產生的，而是由于手對木塊的壓力作用產生的，手對木塊的壓力越大，木塊對木板的壓力越大,二者間的摩擦力越大,這說明摩擦力與壓力有關,而與重力無關.

圖1

實例2:雙掌接觸,相互摩擦,如圖2.因手掌的重力方向豎直向下,對摩擦力的產生不起作用,只有手掌間的壓力起作用,所感覺到的摩擦力與重力無關,而與壓力有關.

圖2

以上兩例,是教師常用的,學生看了、聽了之后也覺得老師說得有理,聽課的教師也沒提出反駁意見.

這能說明摩擦力與重力無關嗎?筆者談3點看法.

(1)我們都知道,一個物理量f與G無關,需控制其他變量保持不變(或不起作用),讓G變化,如果f不變,則f與G無關;如果f變化,則f與G有關.

上面的兩個實例,均屬讓G不變,而f變化,從而得出f與G無關.這是一個不正確的推理.

(2)實例1中,木塊上下運動時,壓力與重力無關了,但是“感覺到摩擦力”的大小與木塊重力大小有關.木塊向下運動,木塊重力是動力,木塊向上運動時,木塊重力是阻力.因此,用此實驗說摩擦力與重力無關不恰當.

實例2中,當把一只手當作參照物,另一只手對它做相對運動時,手的重力與運動關系與實例1相似.

(3)兩實例,沒有讓重力變化,從而得某結論,因此,也不能說摩擦力與重力無關.

從全國青年教師大賽獲得一等獎的物理講課錄像中看到,有的教師控制其他變量不變,讓G變化,而f不變,實驗內容如下.

實例3:一金屬盒內裝有沙子,將其放在水平放置的臺秤上稱得質量為0.48 kg,算得重力G1=4.8 N,則金屬盒與臺秤間的壓力N1=4.8 N.如圖3所示.

圖3

(1)如圖3(a)所示,用彈簧測力計沿水平方向勻速拉動金屬盒,測得摩擦力f1=1.9 N;

(2)如圖3(b)所示,用氣球豎直向上吊著金屬盒,據電子稱示數算得壓力N2=3.6 N,測得f2=1.2 N;

(3)如圖3(c)所示,向金屬盒中加沙子,使金屬盒與臺秤間壓力恢復到4.8 N,測得摩擦力f3=1.9 N.

比較(2)與(1),金屬盒與沙子總重不變,壓力變小,摩擦力隨之變小,可得摩擦力與壓力有關.

比較(3)與(1),壓力不變,重力增大了,摩擦力沒變,可得摩擦力與重力無關.

本實驗一舉兩得,既能說明滑動摩擦力與壓力有關,又能說明滑動摩擦力與重力無關,得到專家級評委們的稱贊.

實例3能說明摩擦力與重力無關嗎?筆者認為仍然不能說明.

其一，金屬盒是放在水平放置的臺稱上的,其壓力是重力對支持物的作用效果表現,摩擦力與壓力有關,而壓力大小又與重力大小有關,也就說明摩擦力與重力大小有關.

其二，向金屬盒中加沙子，金屬盒與沙子的總重力增大了,增大部分卻被氣球的拉力抵消了,所以效果沒變,摩擦力沒變.如同一小馬拉一大車,拉力為500 N,速度為v1;換一大馬,拉力為800 N,又用一驢向后拉,拉力為300 N,結果車速仍為v1,之后得出結論:無論換多強壯的馬拉此車,車速都不變.這個結論顯然是錯的.

其三,(1)無氣球拉力作用,(2)、(3)皆有氣球拉力.(2)與(1)比較,(3)與(1)比較,皆沒有保持其他條件相同,屬不可比,所以,所得結論也就不正確.

筆者見過的教師舉的實例都不能說明摩擦力大小與重力無關,找不到恰當的實例了嗎?請看下面實驗.

實例4：大木板B與木板A中間夾一個厚而小些的木板C,將木板B固定在豎直面內,木板A通過4個彈簧測力計的拉力將A，B，C擠壓在一起而相對靜止,4個彈簧測力計拉力相等,A的4個角有孔洞,B與A的4個孔洞對應處也有孔洞,洞口有鉤可掛(或固定)彈簧測力計,如圖4所示.

圖4

(1)如圖4(a)所示,向下勻速拉C,測得摩擦力f1=F拉1=1.8 N;

(2)如圖4(b)所示,在C上加重為G1=0.2 N的砝碼,向下拉力F拉2=1.6N,f2=F拉2+G2=1.6 N+0.2 N=1.8 N;

(3)如圖4(c)所示,在以上加重為0.5 N的砝碼,向下F拉3=1.3 N,f3=F拉3+G3=1.3N+0.5 N=1.8 N.

把木板C與所加砝碼看作一個整體,其重力不斷增加,但是,木板C與木板A,B之間的摩擦力不變,說明摩擦力與重力無關.

注:(1)讓砝碼不接觸木板A，B(之間無摩擦)；(2)本實驗也可向水平方向拉動,受力分析隨之而變,仍可得摩擦力與重力無關.

控制變量是科學實驗必須遵從的原則,運用時要符合邏輯關系,以便提高學生的科學素養.