周立波

摘要： 本文以教材“探究滑動(dòng)摩擦力大小”演示實(shí)驗(yàn)為例談?wù)剬?duì)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞： “探究滑動(dòng)摩擦力大小”實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

一

高中物理必修1第三章第三節(jié)的摩擦力教學(xué)是力學(xué)部分的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度和相互接觸兩物體之間的正壓力大小有關(guān)，即f=μFN，在具體的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，以往教材常用這樣的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解，實(shí)驗(yàn)器材包括長(zhǎng)木板、方木塊、彈簧測(cè)力計(jì)、鉤碼、棉布、毛巾等，將彈簧測(cè)力計(jì)與方木塊連接，水平拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)使方木塊做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由其運(yùn)動(dòng)特征我們不難分析得到在此過(guò)程中，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，即方木塊所受滑動(dòng)摩擦力的大小，有這樣的知識(shí)做準(zhǔn)備，再利用控制變量法，通過(guò)棉布或毛巾改變接觸面之間的粗糙程度、通過(guò)在方木塊上加砝碼改變其與長(zhǎng)木板之間的正壓力的大小來(lái)探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素，具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1

但在實(shí)際的操作中該實(shí)驗(yàn)卻存在諸多問(wèn)題。

（一）不便于觀(guān)察，不能真正起到演示的作用。

由于彈簧測(cè)力計(jì)水平拉動(dòng)方木塊進(jìn)行觀(guān)察，這樣做學(xué)生不易觀(guān)察，所以若將其作為演示實(shí)驗(yàn)并不能達(dá)到較好的演示效果。

（二）不便于操作，不利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定量分析。

1.水平拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)，若操作不得當(dāng)使得彈簧測(cè)力計(jì)與長(zhǎng)木板接觸而產(chǎn)生了摩擦，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了誤差，影響對(duì)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確分析。

2.彈簧測(cè)力計(jì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終處于懸空狀態(tài)，實(shí)際上其自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)也有影響。

3.用手拉動(dòng)方木塊觀(guān)察摩擦力的大小的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)很不穩(wěn)定，忽大忽小，一方面說(shuō)明方木塊的勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)很難控制，另一方面不利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。

二

本實(shí)驗(yàn)在教材中并未作為單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)編寫(xiě)，只是出現(xiàn)在滑動(dòng)摩擦力教學(xué)過(guò)程中的穿插實(shí)驗(yàn)，主要目的是通過(guò)對(duì)滑動(dòng)摩擦力大小影響因素的探究體會(huì)控制變量法在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，進(jìn)而為下一章《牛頓運(yùn)動(dòng)定律》中的加速度與物體所受力和質(zhì)量關(guān)系實(shí)驗(yàn)的定量分析奠定理論基礎(chǔ)。因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們應(yīng)該著重讓學(xué)生體會(huì)物理思想的應(yīng)用。通過(guò)以上分析我們發(fā)現(xiàn)，由于操作過(guò)程中的系統(tǒng)誤差和人為的操作不當(dāng)，學(xué)生不能通過(guò)物理方法短時(shí)間內(nèi)得到三個(gè)物理量之間的定量關(guān)系，因而沖淡了本實(shí)驗(yàn)的主題，筆者認(rèn)為進(jìn)一步完善該實(shí)驗(yàn)的裝置非常必要，以便學(xué)生更深刻地理解摩擦力的相關(guān)規(guī)律。因此，本文以滑動(dòng)摩擦力為例談?wù)劰P者對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)。

首先，針對(duì)觀(guān)察上的不便，筆者將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，這樣做不但提高了學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，而且提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的深刻性和運(yùn)用實(shí)驗(yàn)器材分析及解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

其次，針對(duì)操作問(wèn)題，因?yàn)槭掷瓘椈蓽y(cè)力計(jì)不容易控制，所以可把彈簧測(cè)力計(jì)放在上表面光滑的長(zhǎng)方體（可用長(zhǎng)木塊上表面粘貼玻璃板），以減小彈簧測(cè)力計(jì)的自身重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，同時(shí)把彈簧測(cè)力計(jì)的一端固定在豎直的木板上，另一端與方木塊相連，若方木塊的連接點(diǎn)過(guò)低，可將兩塊方木板上下粘在一起，使得彈簧帶鉤的一端與上面方木塊相連，另一端再與豎直木板固定。這樣一來(lái)要想在方木塊和長(zhǎng)木板之間產(chǎn)生摩擦力，就必須使長(zhǎng)木板運(yùn)動(dòng)，這時(shí)若用手推動(dòng)或拉動(dòng)長(zhǎng)木板運(yùn)動(dòng)，由于長(zhǎng)木板與桌面之間也存在很大的摩擦力，將給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)更大的困難，因此，可以改裝長(zhǎng)木板，在長(zhǎng)木板下面安裝幾個(gè)輪子。由于在相同的壓力情況下，滾動(dòng)摩擦力比滑動(dòng)摩擦力要小，因而很容易控制長(zhǎng)木板做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。若有條件的學(xué)校，還可以將長(zhǎng)木板與電動(dòng)機(jī)相連，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸處安裝兩個(gè)半徑不一樣的輪子，就可以通過(guò)改變速度來(lái)研究不同情況下物體所受摩擦力的大小，這樣既解決了實(shí)際問(wèn)題又取得了明顯的實(shí)驗(yàn)效果。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有的學(xué)生按照教材中實(shí)驗(yàn)所示將彈簧測(cè)力計(jì)水平拉動(dòng)，而有些同學(xué)則干脆將彈簧測(cè)力計(jì)垂直水平面放置，其實(shí)，對(duì)于彈簧測(cè)力計(jì)而言，水平放置與垂直水平面放置時(shí)零刻度是不同的，應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生糾正，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。

針對(duì)上述問(wèn)題，我將此演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)裝置如圖2所示：

圖2

實(shí)驗(yàn)拓展：這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還可以非常直觀(guān)地說(shuō)明摩擦力方向中“相對(duì)”二字的重要性，解決本節(jié)課學(xué)生對(duì)滑動(dòng)摩擦力方向上的理解難題。雖然利用原有實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也很容易得到木塊相對(duì)長(zhǎng)木板的運(yùn)動(dòng)方向，但如果以長(zhǎng)木板為研究對(duì)象分析其所受摩擦力的方向時(shí)學(xué)生往往不能得出結(jié)論，由于學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣了以相對(duì)地面靜止物體為參考系解決問(wèn)題，因此利用本實(shí)驗(yàn)裝置就能很好地解決這一問(wèn)題，例如：當(dāng)水平向左拉動(dòng)長(zhǎng)木板時(shí)，學(xué)生很容易體會(huì)到方木塊“相對(duì)”長(zhǎng)木板向右運(yùn)動(dòng)，則可以得到方木塊受長(zhǎng)木板的摩擦力的方向應(yīng)水平向左。而方木塊相對(duì)地面是向左運(yùn)動(dòng)的，則可以得到，摩擦力的方向一定是與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反，而和運(yùn)動(dòng)的方向并沒(méi)有直接關(guān)系，有時(shí)會(huì)和運(yùn)動(dòng)方向相同，有時(shí)也會(huì)相反。同時(shí)，也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到既然此時(shí)摩擦力的方向和運(yùn)動(dòng)方向相同，那么在這種情況下，摩擦力應(yīng)該充當(dāng)動(dòng)力，反之，我們也可以得到摩擦力可以充當(dāng)阻力的結(jié)論。

以上，不難發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后再與教材中的演示實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，針對(duì)性更強(qiáng)了，就會(huì)激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，從而在學(xué)習(xí)過(guò)程中投入更高的熱情。當(dāng)然，對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，我們也可以讓其課后將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行對(duì)比，去發(fā)現(xiàn)之間的不同。因此，筆者認(rèn)為在教學(xué)過(guò)程中既要以書(shū)為本，又不要過(guò)分地拘泥于書(shū)本，這才是真正地駕馭了教材。