滑動摩擦力探究實驗裝置改進

馮 莉

(四川省南充高級中學，四川 南充 637900)

“研究影響滑動摩擦力大小的因素”是人教版物理8年級下冊第8章第3節“摩擦力”的教學重點.這個探究性實驗不僅要求學生掌握測量滑動摩擦力的實驗技能，更強調讓學生經歷提出問題、猜想與假設、制訂計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與論證、評估、交流與合作的科學探究過程，從而培養學生實事求是的科學態度.但教材中的實驗設計存在一些不足，實際操作過程困難.基于此，本文對該實驗的自制實驗裝置和實驗設計作出說明，并闡述實驗操作過程、總結實踐結果.

1 教材實驗的解析

教材傳統實驗中學生根據圖1所示實驗器材進行分組實驗.具體實驗操作步驟：首先，用彈簧測力計水平拉動木塊，使木塊沿水平長木板勻速滑動，根據二力平衡知識可知，彈簧測力計的示數就等于木塊受到的滑動摩擦力大小；接著，運用控制變量法，只改變木塊上的鉤碼數量，從而改變木塊對長木板的壓力，測出此種情況下的滑動摩擦力；然后，換用材料相同但表面更粗糙的長木板，保持砝碼數量不變，測出此種情況下的滑動摩擦力.[1]

圖1 研究影響滑動摩擦力大小的因素

教材傳統實驗方案存在以下幾點不足： (1) 依靠手難以保證木塊做勻速直線運動.(2) 不易控制拉力沿水平方向.(3) 難以探究接觸面積大小、物體運動速度大小對實驗結果的影響.(4) 更換材料繁瑣，操作麻煩.(5) 木板水平情況不易檢測.

近幾年，針對教材實驗的不足，很多教師提出了改進的實驗方案.[2-5]常見改進方案的主要思想是通過拉動其他物體使研究物體相對于地面靜止.典型模型有2種，模型1如圖2所示，彈簧測力計固定不動，拉動長木板運動；模型2為傳送帶模型如圖3所示，置于傳送帶上的木塊一端與固定不動的彈簧測力計相連，改變傳送帶的轉動速度.雖然2種模型中，無論長木板和傳送帶是否勻速運動，彈簧測力計的示數都等于木塊所受滑動摩擦力的大小，但2種改進方案存在以下3點問題：(1) 模型1將教材實驗中運動的木塊變為靜止，而初學者很難熟練掌握靜止的物體也可以受到滑動摩擦力，因而對改進模型較難理解，違背了實驗設計的直觀性原則；(2) 模型1中，彈簧測力計的自重會導致木塊所受拉力不在水平線上，使測量結果不準確；(3) 模型2中，由于傳送帶表面凹凸不平，在啟動傳送帶時，木塊容易滑落.

圖2 模型1：保持木塊不動,拖動長木板

圖3 模型2：傳送帶模型

基于模型1，也有教師提出了利用DIS(數字化信息系統)將彈簧測力計用力傳感器代替，使測量結果更加精確，[6]如圖4所示.但依然不能解決學生難以理解模型原理的難題.

圖4 基于DIS的實驗裝置圖

為了解決上述問題，筆者在教材傳統實驗思想的基礎上，自制了實驗裝置.

2 自制實驗裝置介紹

筆者用可調速電動機代替手拉動彈簧測力計，確保木塊做勻速直線運動.為了克服彈簧測力計自身重力導致木塊所受拉力不在水平線上的問題，筆者進一步將彈簧測力計與研究物體結合在一起，將兩者作為一個研究整體(如圖5所示).當電動機通過細線拉動整體做勻速直線運動時，對研究整體進行受力分析，在水平方向上，它受到細線向右的拉力和地面向左的滑動摩擦力，根據二力平衡的原理，滑動摩擦力和拉力的大小相等，而拉力大小又可以通過彈簧測力計的示數直接讀出來，因此滑動摩擦力的大小就等于彈簧測力計的示數.

圖5 克服彈簧測力計自身重力設計圖

為了解決以往實驗探究過程中不完善的問題，筆者通過將彈簧測力計嵌入到盒子內部，設計制作了研究物體——摩擦套盒，如圖6所示.套盒總重為2 N，高和寬相同，盒頂透明，方便讀數.套盒底部A面較光滑，B面切了3個面積相等的長方形孔洞，從而改變接觸面積的大小；C面貼了粗糙的橡膠墊，從而改變接觸面的粗糙程度；透明盒頂有8個圓形凹槽，用于放置鉤碼，進而改變接觸面所受壓力大小.再利用可調速電動機，便可完成探究壓力大小、接觸面粗糙程度、接觸面積大小、物體運動速度大小4個因素對滑動摩擦力大小的影響.

圖6 摩擦套盒實物圖

此外，為了確保木板保持水平，筆者在木板底部對稱地安裝了4個調平旋鈕，木板尾部安裝了水平儀.整個實驗裝置主要由摩擦套盒、電動機、調速器、調平旋鈕、水平儀、限位器構成(如圖7所示).調平旋鈕、水平儀用于調節木板水平，電動機拉動摩擦套盒做勻速直線運動，調速器可改變拉動速度，限位器確保拉力水平.

圖7 摩擦力的測量與設備說明

3 實驗操作與結論

(1) 盒頂不加鉤碼，讓套盒A面與木板接觸，利用電動機改變摩擦套盒勻速直線運動速度，分別測出低速和高速情況下的滑動摩擦力.

(2) 不加鉤碼，調速旋鈕旋至低速檔，分別讓A面和B面與木板接觸，測出此種情況下的滑動摩擦力.

(3) 不加鉤碼，調速旋鈕旋至低速擋，分別讓A面和C面與木板接觸，測出此種情況下的滑動摩擦力.

(4) 調速旋鈕旋至低速擋，讓套盒A面與木板接觸，每次向盒頂左右各加1個50 g的鉤碼，對稱放置，測出此種情況下的滑動摩擦力.

數據處理與分析：

針對4次實驗，分別選取4組學生的數據，記錄如表1-4.

表1 滑動摩擦力與物體運動速度實驗數據

分析表1和表2數據可得出結論,滑動摩擦力的大小跟物體運動速度和接觸面積大小無關；分析表3和表4數據可得出結論，滑動摩擦力的大小跟接觸面的粗糙程度和接觸面所受的壓力有關，接觸面越粗糙、接觸面所受的壓力越大，滑動摩擦力越大.

表2 滑動摩擦力與接觸面積實驗數據

表3 滑動摩擦力與接觸面粗糙程度實驗數據

引導學生仔細觀察表4數據：當壓力從2 N變成4 N時，滑動摩擦力也變成原來的2倍，當壓力從2 N變成6 N時，滑動摩擦力也變成原來的3倍，學生很容易猜想到滑動摩擦力大小可能與壓力大小成正比.此時，教師利用更精確的測量工具拉力傳感器來驗證這一猜想.首先，用拉力傳感器替換彈簧測力計的摩擦套盒，打開DIS中相應軟件，每次向盒頂左右各加1個50 g的鉤碼，選取數據比較穩定部分取平均值，如圖8所示，依次得到6組數據，在已自動描出6個點的坐標系中，選擇直線擬合，便得到一條近似過原點的傾斜直線.因此可以粗略得出——當接觸面粗糙程度一定時，滑動摩擦力大小與壓力大小成正比.

圖8 f-FN圖

接著，改變接觸面材料，進行多次實驗.如圖9所示，分別是橡膠墊與木板、棉布與木板接觸時得到的圖像.

圖9 f-FN圖

綜上，可以得出結論：在實驗誤差允許的范圍內，當接觸面粗糙程度一定時，滑動摩擦力大小與壓力大小成正比.

4 自制實驗裝置的優點

(1) 實驗裝置的設計思想完全來源于教材傳統實驗，符合學生的認知規律，學生容易理解.

(2) 用可調速電機代替手，確保了物體做勻速直線運動.

(3) 一套裝置可探究多個影響因素，操作簡單，易于推廣.

(4) 實驗裝置中調速電機的選取、摩擦套盒的設計、調平旋鈕及水平儀的選取、DIS的利用，增加課堂趣味性和科學性的同時激發了學生學習的積極性和創新意識，有利于培養學生的創造性思維和科學探究精神.