高中物理實驗中摩擦力的影響因素的實踐研究

易維華

摘要：“探究影響摩擦力因素的實驗調查”在教材中的設計存在不足，應根據情況進行改進。

關鍵詞：探究;摩擦力;影響因素

1物理實驗中摩擦力的影響因素

高中物理中非常重要的實驗，旨在找出影響滑動摩擦的因素。但是，當以教科書方式進行實驗時，不僅操作困難，而且會引起較大的誤差。經過筆者的仔細思考，實驗設計有兩個主要缺點：

（1）根據二力平衡狀態下，僅當彈簧在水平方向上拉動木塊進行迅速直線運動時，木塊才能保持平衡狀態，受到平衡力，此時，摩擦力的大小等于彈簧力測力計的示數，所以實驗者需要用手拉著彈簧測力計拉動木塊做迅速直線運動，但不僅學生，就算是老師，也很難保證拉動過程中木塊是做迅速直線運動，木塊速度很難控制，讀取示數時也可能發生誤差。

（2）由于彈簧測力計的設計是豎向的，因為彈簧壓力計這樣進行設計主要是為了方便調零。如果使用豎向彈簧測力計來測量水平力，則實驗者稍微用了一點力拉動測力計，那么測力計的值可能依然為零，測量值可能就會減小，這是因為彈簧本身是豎向的，由于彈簧自身重力會將指針向下拉動，因此，如果水平測量，重力將不起作用。但是，由于水平調零時沒有力來拉動測力計，因此很難精確地調整零位。因此，這是豎向彈簧測力計進行水平測量實驗中產生誤差的原因之一。由于這兩個原因，可以肯定的是，不僅進行實驗很困難，而且還存在嚴重的誤差，因此必須對實驗裝置進行必要的改進[1]。

2傳統實驗中存在的問題

2.1實驗中顯示出的滑動摩擦力發生變化

在試驗過程中，如果木板無法連續移動，而是有時快有時慢，快速或緩慢移動，雖然物塊相對于地面來說是靜止的，但是它會隨著木板運動狀態變化實際上也會相對于地面發生變化。但是，這種變化很小，實驗者沒有意識到這一點，并認為木塊是相對于地面靜止的，但是傳感器可以清楚地將由于微小形變引起的彈力變化表示出來。因此，我們觀察到實驗中顯示的滑動摩擦圖像隨時間發生了變化。

2.2實驗數據不過原點及滑動摩擦力隨物體間相對運動加快而增大

實驗發現，在以下條件下產生的滑動摩擦壓力圖像不會與原點相交。

（1）如果接觸面是布（毛巾），僅鋪在木板表面上且用圖釘固定，則可以看出，在處理實驗數據后滑動摩擦力圖像將沒有通過原點，分析的原因很可能是在木板和布（毛巾）表面由于木板與布（毛巾）的表面阻力變大，摩擦力偏大，因此，即使在相同壓力下，導致摩擦力偏大不經過原點，當兩個對象之間的相對運動速度較大時，由于布料（毛巾）增加兩個接觸面之間的阻力。因此，滑動摩擦力會隨著相對運動速度加快增大，所以不會經過原點[2]。

（2）如果接觸面是木板表面，也會發生上述現象。仔細觀察表明，兩塊板的表面不是很光滑。因此，在兩個物體之間的相對運動期間，摩擦力也改變，并且摩擦力隨著兩個物體之間的相對運動速度的增加而增加。

（3）如果在實驗過程中保持接觸面光滑，如果由于增加配重而導致物體重心發生變化，則圖像將不會經過原點，通過觀察，可以看到，如果重物的重心不在物體的中心，則物體的滑動摩擦力會隨位置變化而變化，因此，傳感器提供的數據實際上與物體受到的摩擦力不同。

（4）在使用相同實驗裝置的干燥空氣環境中，實驗結果與當前的認識是一致的，但是該實驗是在潮濕環境中進行的，并且發現了物體的滑動摩擦隨著物塊和木板之間相對運動的增加越來越大。

3改進實驗方案

3.1實驗器材與裝置

3.1.1實驗器材

實驗過程中將會用到一個彈簧測力計，光滑表面的長木板，帶槽的方木板，滑輪，輪軸各一個，白布條和長毛巾一條，砝碼和細線。

3.1.2實驗裝置和原理（圖1）

3.2實驗操作步驟

3.2.1靜摩擦力的特點探究

握住D軸手柄并扭轉手柄，然后手柄的旋轉力逐漸從零增加過程中，學生會注意到彈簧測力計的讀數會增加，隨著彈簧測力計示數的增加木塊緩慢地進行運動，彈簧測力計的示數突然從最大值值下降到某一值，即在方木塊A槽中放入砝碼，重復上述實驗，學生們可以發現，彈簧測力計示數正在增加，然后將長毛巾和白布條固定在長木板表面，重復實驗步驟，學生可以看到彈簧測力計的最大讀數變大。結論靜摩擦力的大小是有范圍的（0≤FmFmax），最大靜摩擦力與靜壓力成正比，并且與接觸表面的材料和粗糙度有關[3]。

3.2.2滑動摩擦力的特點

用力扭轉手柄，并使木板緩慢移動，保持迅速直線運動，學生們會發現彈簧測力計示數為固定值，然后轉動把手，木板以快速恒定的速度運動，學生們可以看到彈簧測力計的示數與較小速度運行時一致，沒有改變，然后再不時扭轉手柄，時木板做變速運動，學生可以看到測力計讀數與恒定速率運行時一樣，如果在方木板A槽中放置不均勻質量的砝碼，再重復上面的實驗步驟，學生可以看到彈簧測力計示數表達，在長木板的表面分別放置長白條和長毛巾，轉動把手，讓木板運動，學生可以看到彈簧測力計示數變大，結論滑動摩擦力的大小與靜壓力成正比，并且還與接觸面和材料有關，但與木板運動狀態無關。

3.2.3動摩擦因數的測定

使用彈簧測力計測量木塊的重力，并使用圖1中的裝置測量木塊與長板（或其他物體）之間的滑動摩擦，利用公式μ= 便可測出兩物體之間的的動摩擦因數。

4結語

義務教育階段的物理教育應該充滿激情和活力。物理實驗是離不開實際的，物理課堂也是這樣，高中生更擅長于更好地觀察事物，所以讓學生多進行物理實驗，他們不僅學習了知識，而且還幫助他們提高了實踐和分析能力，并幫助培養學生的核心素養。

參考文獻：

[1]劉偉武.“影響滑動摩擦力大小因素”的實驗創新[J].湖南高中物理，2019，34 （10）：69+92.

[2]張欽泉.“研究影響滑動摩擦力大小的因素”的實驗與改進[J].物理通報，2019 （S2）：102-105.

[3]宋波，徐永芝.探究影響滑動摩擦力大小因素的實驗創新[J].中高中實驗與裝備，2018，28 （04）：46.