徐忠岳

(舟山市東海中學(xué),浙江舟山 316000)

實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的靈魂,不過(guò)有些物理規(guī)律的教學(xué)往往被認(rèn)為比較簡(jiǎn)單或認(rèn)為“眾所周知”而無(wú)需實(shí)驗(yàn)證明,摩擦力方向的教學(xué)就是其中之一.不少教師只是通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)例分析就想當(dāng)然地得出了摩擦力的方向:總是沿著接觸面,且與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反,比如置于水平面上的木塊受到一個(gè)向右的水平拉力且保持靜止,則靜摩擦力的方向水平向左且大小與拉力相等.比較有心的教師則通過(guò)手心與桌面之間或手心與板刷之間的摩擦來(lái)感受摩擦力的方向.本人認(rèn)為這些做法缺乏嚴(yán)謹(jǐn),比如對(duì)于木塊來(lái)說(shuō)即使它受到的摩擦力并不沿著水平面也可以使木塊保持靜止;再如毛刷彎曲情況并不足以證明摩擦力的方向是沿著接觸面的,因?yàn)橐粋€(gè)并不沿著接觸面的力也可以使毛刷達(dá)到相同的彎曲狀態(tài).下面介紹如何用桌秤來(lái)證明摩擦力的方向,本實(shí)驗(yàn)可以豐富學(xué)生對(duì)壓力及摩擦力的感性認(rèn)識(shí),也有利于思辨能力的訓(xùn)練,同行們不妨一試!

圖1

如圖1所示,本實(shí)驗(yàn)采用的桌秤是鈺恒電子(廈門(mén))有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為JWE-15K的計(jì)重桌秤,量程為15 kg,感量為0.5 g.把一個(gè)木塊放在水平放置的桌秤上,讀出桌秤的示數(shù),然后用繩子斜向上和斜向下拉一下木塊,發(fā)現(xiàn)桌秤的示數(shù)分別變小和變大.把繩子的另一端掛在定滑輪上,并在繩子上懸掛一個(gè)鉤碼,調(diào)節(jié)繩子的方向使之與桌秤面平行,接著繼續(xù)往繩子上掛鉤碼,學(xué)生們會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn):與接觸面平行的力并不會(huì)改變木塊對(duì)桌秤的壓力大小.此時(shí)問(wèn)學(xué)生:“這一現(xiàn)象能否證明靜摩擦力的方向也是沿著接觸面的?”.學(xué)生在好奇心的驅(qū)使下可得出這樣的結(jié)論:隨著鉤碼數(shù)的增多,木塊所受的靜摩擦力不斷增大,但靜摩擦力的增大并沒(méi)有影響木塊對(duì)桌秤的壓力,所以靜摩擦力的方向肯定是沿著接觸面的,假如它不沿接觸面則必然改變木塊對(duì)臺(tái)秤的壓力.隨后,繼續(xù)增加鉤碼,直至木塊滑動(dòng),可以看到在木塊滑動(dòng)時(shí)桌秤的示數(shù)依然不變,可見(jiàn)滑動(dòng)摩擦力也是沿著接觸面的.

如圖2所示,可以用相同的方法證明當(dāng)接觸面傾斜時(shí),摩擦力的方向也是沿著接觸面的.

圖2

注意,繩子方向是否與接觸面平行是本實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵,為了提高演示效率,應(yīng)事先標(biāo)記好鐵架臺(tái)與桌秤之間的距離和鐵夾的高度.連接木塊與鉤碼的繩子要盡可能長(zhǎng),這樣可以減小鐵夾高度調(diào)節(jié)不當(dāng)引起的誤差.如果采用普通稱(chēng)量蔬菜水果的電子臺(tái)秤(感量為5 g),那么對(duì)繩子方向的要求就可以降低,這樣操作起來(lái)反而簡(jiǎn)便,且提高了實(shí)驗(yàn)成功率;不過(guò)由于精度不高,用這種臺(tái)秤來(lái)測(cè)量安培力、研究壓力與重量的關(guān)系等,效果就不太好了;如果需要更高精度的桌秤,可以選擇JWE-3kg型桌秤,它的精度可達(dá)0.1 g,可與托盤(pán)天平媲美!

學(xué)習(xí)力的合成與分解后,學(xué)生還可以證明當(dāng)繩子的拉力不沿接觸面時(shí),摩擦力的方向也是沿著接觸的.桌秤還可以廣泛用于輔助受力分析,比如用來(lái)研究力的合成與分解規(guī)律、重量與壓力的關(guān)系、超重與失重、拱橋模型、稱(chēng)量安培力等.隨著傳感技術(shù)的成熟與普及,計(jì)重桌秤的性?xún)r(jià)比不斷提高,是一個(gè)值得推廣的現(xiàn)代化教具!