測動摩擦因數的實驗命題設計研究

鄭行軍

(福建省福鼎市第一中學,福建 福鼎 355200)

·試題研究·

測動摩擦因數的實驗命題設計研究

本文系福建省教育科學“十三五”規劃課題“互聯網+物理習題的教學設想與實踐探究”(批準號:FJKYJD16-29)的成果之一.

鄭行軍

(福建省福鼎市第一中學,福建 福鼎 355200)

測量動摩擦因數的實驗是近幾年高考的熱點之一,對學生的綜合學習能力有較高的要求.本文通過對測量方法進行總結和歸類,建構系統的實驗解決方案,提高學生的知識遷移和應用能力.

動摩擦因數;力平衡法;動力學關系;動能定理;功能關系

在近幾年的高考中,測量動摩擦因數的創新實驗逐漸增多,已成為高考中新的熱點之一,此探究實驗注重對實驗原理和實驗測量方法的考查與應用,內容不拘泥于教材和考綱,考查學生的實驗探究和創新思維能力[1].本文通過對各種實驗方案進行總結和分析,系統地構建實驗考查的知識體系,為解決實驗問題提供理論依據.

1 利用力平衡法測量動摩擦因數

例1：某同學在探究靜摩擦力變化規律及滑動摩擦力變化規律的實驗中,設計了如圖1甲所示的實驗裝置,力傳感器A與計算機連接,可獲得力隨時間變化的規律,將力傳感器固定在水平桌面上,測力端通過細繩與一滑塊B相連(調節傳感器高度可使細繩水平),滑塊放在較長的小車上,小車一端連接一根輕繩并跨過定滑輪系一只空沙桶(調節滑輪可使桌面上部細繩水平),整個裝置處于靜止狀態.實驗開始時打開傳感器,同時緩慢向沙桶里倒入沙子,若力傳感器采集的圖像如圖1乙所示,由圖像可知,滑塊B與小車間的靜摩擦力最大值為________N,已知滑塊B重10.0N,滑塊B與小車間的動摩擦因素μ= .

圖1

解析:在整個過程中,滑塊B受到水平向右的摩擦力f與水平向左的傳感器的拉力F,滑塊始終靜止,處于平衡狀態,則f=F;緩慢向沙桶里倒入沙子,當小車由靜止剛好開始運動時,滑塊與小車間的靜摩擦力達最大值,由圖1乙可知,滑塊與小車間的最大靜摩擦力fmax=F=3.5N;當小車運動時,滑塊與小車間的摩擦力是滑動摩擦力,由圖乙可知,f=F″=3N,由f=μG，得滑塊B與小車間的動摩擦因素μ=0.3.

2 利用牛頓運動定律測量動摩擦因數

例2：為測定小物塊P與圓形轉臺B之間的動摩擦因數(設滑動摩擦力與最大靜摩擦力相等),某同學設計了如圖2所示的實驗,并進行如下操作:

A. 用天平測得小物塊P的質量m;

B. 測出遮光片外邊沿到圓心的距離為R+L;

C. 將小物塊P放在水平轉臺上,并讓電動機帶動轉臺勻速轉動,調節光電門的位置,使固定在轉臺邊緣的遮光片遠離轉軸的一端恰好能掃過光電門的激光束;

D. 轉動穩定后,從與光電門連接的計時器讀出遮光片每次經過光電門的時間,并可以計算出遮光片外邊沿的速率為v.

E. 不斷調整小物塊與轉臺中心的距離,當距離為r時,小物塊隨轉臺勻速轉動時恰好不會被甩出．

已知當地重力加速度為g,那么,轉臺旋轉的角速度ω=________,小物塊與轉臺間的動摩擦因數μ=________,實驗中不必要的步驟是________(填步驟序號).

圖2

3 利用動力學關系測量動摩擦因數

例3：為了測量某材質的木塊與牛皮紙之間的動摩擦因數,一位同學設計了如圖3的實驗，在斜面和水平面上貼上待測牛皮紙,保證木塊放在斜面頂端時能加速下滑,斜面與水平面間平滑連接，已知斜面傾角為θ.讓木塊從斜面頂端由靜止開始下滑,該同學只用一只秒表就完成了測量任務.

(1) 該同學需要測量的物理量是________;

(2) 動摩擦因數的表達μ=.

圖3

4 利用動能定理測量動摩擦因數

例4：某興趣小組要測量木塊與較粗糙木板之間的動摩擦因數,他們先將粗糙木板水平固定,再用另一較光滑的板做成斜面,傾斜板與水平板間由一小段光滑曲面連接,保證木塊在兩板間通過時速度大小不變.

(1) 使木塊從相對水平木板高h處由靜止滑下,并在水平板上滑行一段距離x后停止運動,改變h大小,進行多次實驗,若忽略木塊與傾斜板間的摩擦,以x為橫坐標、h為縱坐標,從理論上得到的圖像應為________;

圖4

(2) 如果考慮木塊與傾斜板之間的摩擦,在改變h時,他們采取的辦法是:每次改變傾斜板的傾角,讓木塊每次由靜止開始下滑的位置在同一條豎直線上,且測出該豎直線與兩板連接處的水平距離為L,如圖4甲所示.將每次實驗得到的h、x相關數據繪制出的h-x圖像如圖4乙所示,圖線的延長線與兩坐標軸的交點坐標分別為(-a,0)和(0,b),則木塊與傾斜板間的動摩擦因數μ1=________,木塊與水平板間的動摩擦因數μ2=.

5 利用功能關系測量動摩擦因數

圖5

例5：某小組利用圖5所示實驗裝置來測量物塊A和長木板之間的動摩擦因數μ.

① 把左端帶有擋板的足夠長的長木板固定在水平桌面上,物塊A置于擋板處,不可伸長的輕繩一端水平連接物塊A,另一端跨過輕質定滑輪掛上與物塊A質量相同的物塊B.并用手按住物塊A,使A、B保持靜止.

② 測量物塊B離水平地面的高度為h.

③ 釋放物塊A,待物塊A靜止時測量其運動的總距離為s(物塊B落地后不反彈).

回答下列問題:

(1) 根據上述測量的物理量可知μ=.

(2) 如果空氣阻力不可忽略,該實驗所求μ值.(填“偏大”或“偏小”)

(2) 當空氣阻力不可忽略時,會產生熱量,會使B物體落地瞬間時,A或B的動能減小;使B落地后,A做勻減速運動,A的位移為(s-h)變小,所以會使μ偏大．

從以上實驗題可以看出,在分析“測量動摩擦因數”實驗中,應注意捕捉題目中提供的諸多有價值的隱含性信息[2],判斷出命題者想要考查的知識點和意圖,才能順利解決問題.在具體分析過程中一般要關注:(1)一些新穎的實驗題為我們提供的新知識和情境.(2)通過解讀表格,了解實驗測量的物理量,根據表格中的數據,判斷相關物理量之間的關系,如正比例關系、反比例關系、平方或開方關系、倒數關系等[3].(3)通過分析圖像，明確圖像的物理意義,找出物理量之間的函數關系,從而利用圖像中的相關數據(如斜率和截距)解決實驗問題.

[1] 顧愛芬.對高中物理教材必修1《摩擦力》一節編排的一點建議[J].物理教學探討,2016,34(2):76-77.

[2] 鈕瑛.利用模型法測定動摩擦因數的幾種方法[J].物理教師,2012,33(10):69-72.

[3] 孟藍宏.動摩擦因數的常見測定方法[J].物理教學探討,2009,27(1):57-58.