改進“探究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實驗方案

胡浩然

摘要：從當(dāng)前我們學(xué)生所做的物理題目來看，與摩擦力有關(guān)的題目占據(jù)相當(dāng)大的比重。不難發(fā)現(xiàn)，我們往往常常會因為對摩擦力考慮不足而導(dǎo)致解題出現(xiàn)錯誤。實踐證明，實驗是我們學(xué)生理解并掌握摩擦力的有效途徑之一。本文以摩擦力的實驗為主要內(nèi)容，重點討論了如何改進“研究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實驗方案。

關(guān)鍵詞：摩擦力;壓力;實驗方案;改進

引言

從當(dāng)前摩擦力實驗學(xué)習(xí)來看，我們學(xué)生中的大部分并不關(guān)注課堂上老師所演示的物理實驗。其主要原因在于，在課堂上，我們學(xué)生并未有較多的機會親自動手實踐，只是被動接受教師總結(jié)出的或者教材給出的結(jié)論，這樣造成的后果就是，我們中的相當(dāng)一部分并不能充分運用摩擦力知識解決與摩擦力有關(guān)的實際物理問題，從而嚴(yán)重影響了我們物理水評的提高。我在學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)，我的部分同學(xué)能夠通過自主創(chuàng)新實驗來掌握摩擦力的知識。因此，我認(rèn)為，要想加深我們學(xué)生對摩擦力的理解，則可以利用改進后的摩擦力實驗來實現(xiàn)。以下就是我和幾個同學(xué)對摩擦力實驗的改進（本文中所提到的摩擦力均為滑動摩擦力）。

一、實驗方法設(shè)計

（一）儀器及裝置準(zhǔn)備

改進前：儀器：一個秤、一只彈簧測力計、一個長度一米左右且表面粗糙程度均勻的矩形木板、一個長方形木塊、一個可固定在鐵架臺上的鉤子、若干個砝碼、細(xì)線。裝置：如下圖1所示。

改進后：儀器：一個秤、一只彈簧測力計、一個帶有長度一米左右且表面粗糙程度均勻的矩形木板的小車、一個帶有釘子和定滑輪的木板、一個鐵架臺、一個長方形木塊、一個小型電動機、若干個鉤碼、細(xì)線。裝置：如下圖2所示。

（二）實驗原理說明

無論是改進前還是改進后，其實驗原理均為二力平衡原理。物體做勻速直線運動的情況下，通過彈簧測力計的示數(shù)得到摩擦力的大小，此時，拉力與摩擦力相等。

改進前，由于人為拉動矩形長木板B，所以并不能保證矩形長木板B相對于長方體木塊A做勻速直線運動。而且，人為拉動過程中，細(xì)線并不能夠一直保持在水平狀態(tài)。另外，還存在彈簧測力計自身抖動明顯的現(xiàn)象。這些不足之處都會使得實際實驗結(jié)果與理想實驗結(jié)果之間存在較大的差異，因此并不能夠充分確定摩擦力的大小是否和壓力有關(guān)。

基于上述不足我和幾個同學(xué)對實驗裝置進行了有效改進，引入了定滑輪、小車以及電動機，電動機以及小車保證了矩形木板始終相對于長方形木塊做勻變速直線運動。運動過程中，細(xì)線一直保持在水平狀態(tài)。而且，定滑輪保證了彈簧測力計不會出現(xiàn)抖動。這些改進措施都在最大程度上彌補了改進前實驗裝置中存在的不足之處。

二、實驗操作及數(shù)據(jù)記錄

我和我同學(xué)的實驗操作步驟如下：（1）正式實驗之前，使用秤確定長方形木塊的具體重力，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)改進之后的裝置即圖2安裝實驗儀器。固定好彈簧測力計的一端，調(diào)整其方向及刻度并將電動機置于合適的位置，用細(xì)線連接帶有木板的小車與電動機、彈簧測力計自由端與長方形木塊，放置長方形木塊于矩形木板上，并確定彈簧測力計與豎直方向的細(xì)線處于與桌面垂直的狀態(tài)、水平方向的細(xì)線與桌面及矩形木板保持水平狀態(tài)、所有儀器穩(wěn)定不動時彈簧測力計指針指向零刻度線且受垂直向細(xì)線的拉力作用。（2）開啟電動機，并控制電動機速度，使其拉動小車做勻速直線運動，彈簧測力計指針穩(wěn)定后，讀數(shù)并記錄對應(yīng)數(shù)據(jù)，此時，長方形木塊上方不放置任何鉤碼。（3）關(guān)閉電動機，并對小車進行復(fù)位。（4）依次將兩個、四個、六個鉤碼置于長方形木塊上，重復(fù)步驟2。（5）選擇合適的方法對所記錄數(shù)據(jù)進行處理，并得出摩擦力與壓力之間的關(guān)系曲線圖，如下圖3所示。

下表1是我們做的數(shù)據(jù)記錄。

三、實驗結(jié)果分析與討論

我從得出的摩擦力與壓力之間的關(guān)系曲線圖得到，壓力與摩擦力為線性關(guān)系。至于圖3關(guān)系式中的0.0028，則為誤差。在誤差逐漸趨向于0的情況下，壓力與摩擦力成正比關(guān)系，當(dāng)壓力增大時，物體的摩擦力也隨之增大。反過來，當(dāng)壓力減小時，物體的摩擦力也隨之減小。另外，我的一個同學(xué)并沒有做相應(yīng)的關(guān)系曲線圖，而是通過表1中記錄的數(shù)據(jù)分析壓力與摩擦力之間的關(guān)系。同學(xué)說：“從表1中明顯可以看到，彈簧測力計的讀數(shù)隨著所添加鉤碼數(shù)量的增多而呈遞增趨勢。此外，無論是沒有添加鉤碼，還是添加了兩個鉤碼，亦或者是添加了四個、六個鉤碼，壓力與測力計讀數(shù)的比值都是接近相同的。因此，我得出的結(jié)論是，壓力與摩擦力之間的關(guān)系為正比例關(guān)系。你們之所以做圖像，只是因為相較于一堆數(shù)據(jù)，圖像更加直觀罷了。”

結(jié)語

綜上所述，要改進“探究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實驗方案，應(yīng)當(dāng)打破傳統(tǒng)思維定式，脫離教材的局限，找出教材實驗方案中存在的不足之處，在充分考慮當(dāng)前的實驗條件的情況下，利用現(xiàn)有實驗裝置對其進行有效彌補。值得注意的是，我們在改進實驗的過程中，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮自己的主觀能動性，嘗試通過觀察實驗現(xiàn)象、處理實驗數(shù)據(jù)自己總結(jié)有關(guān)結(jié)論。

參考文獻(xiàn)

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