滑動(dòng)摩擦力與重力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究

李忠福

(扎蘭屯市達(dá)斡爾民族學(xué)校 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾162656)

摘 要：要糾正滑動(dòng)摩擦力與重力成正比這個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn),教師們做的實(shí)驗(yàn)都不盡合理,需要重力變化而摩擦力不變的實(shí)驗(yàn)才行.為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)探究實(shí)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：摩擦力重力壓力控制變量變化不變

收稿日期：(2015-04-28)

在探究滑動(dòng)摩擦力大小與哪些因素有關(guān)時(shí),教師引導(dǎo)學(xué)生分別做了兩項(xiàng)探究.第一項(xiàng)探究,用彈簧測(cè)力計(jì)勻速拉動(dòng)同一木塊(壓力不變)分別在粗糙程度不同的平面(玻璃面、木板面、毛巾面等)上滑動(dòng),觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)得到:壓力不變時(shí),接觸面越粗糙滑動(dòng)摩擦力越大.第二項(xiàng)探究,用彈簧測(cè)力計(jì)勻速拉動(dòng)同一木塊在同一(粗糙程度相同)面上滑動(dòng),分別在木塊上加不同的砝碼,觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)得到:接觸面粗糙程度相同時(shí),壓力越大滑動(dòng)摩擦力越大.

在本節(jié)教學(xué)中,因?qū)W生經(jīng)常見(jiàn)到物體是放在水平面上,其壓力大小等于重力大小,很多學(xué)生認(rèn)為重力越大滑動(dòng)摩擦力越大.為了糾正這個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn),教師常做第三項(xiàng)探究,下面分情況表述.

實(shí)例1:如圖1,讓學(xué)生將接觸面豎起來(lái),用手壓著木塊推動(dòng),會(huì)感覺(jué)到摩擦力的存在.教師解釋到,接觸面間的壓力并不是由于木塊的重力產(chǎn)生的，而是由于手對(duì)木塊的壓力作用產(chǎn)生的，手對(duì)木塊的壓力越大，木塊對(duì)木板的壓力越大,二者間的摩擦力越大,這說(shuō)明摩擦力與壓力有關(guān),而與重力無(wú)關(guān).

圖1

實(shí)例2:雙掌接觸,相互摩擦,如圖2.因手掌的重力方向豎直向下,對(duì)摩擦力的產(chǎn)生不起作用,只有手掌間的壓力起作用,所感覺(jué)到的摩擦力與重力無(wú)關(guān),而與壓力有關(guān).

圖2

以上兩例,是教師常用的,學(xué)生看了、聽(tīng)了之后也覺(jué)得老師說(shuō)得有理,聽(tīng)課的教師也沒(méi)提出反駁意見(jiàn).

這能說(shuō)明摩擦力與重力無(wú)關(guān)嗎?筆者談3點(diǎn)看法.

(1)我們都知道,一個(gè)物理量f與G無(wú)關(guān),需控制其他變量保持不變(或不起作用),讓G變化,如果f不變,則f與G無(wú)關(guān);如果f變化,則f與G有關(guān).

上面的兩個(gè)實(shí)例,均屬讓G不變,而f變化,從而得出f與G無(wú)關(guān).這是一個(gè)不正確的推理.

(2)實(shí)例1中,木塊上下運(yùn)動(dòng)時(shí),壓力與重力無(wú)關(guān)了,但是“感覺(jué)到摩擦力”的大小與木塊重力大小有關(guān).木塊向下運(yùn)動(dòng),木塊重力是動(dòng)力,木塊向上運(yùn)動(dòng)時(shí),木塊重力是阻力.因此,用此實(shí)驗(yàn)說(shuō)摩擦力與重力無(wú)關(guān)不恰當(dāng).

實(shí)例2中,當(dāng)把一只手當(dāng)作參照物,另一只手對(duì)它做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),手的重力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系與實(shí)例1相似.

(3)兩實(shí)例,沒(méi)有讓重力變化,從而得某結(jié)論,因此,也不能說(shuō)摩擦力與重力無(wú)關(guān).

從全國(guó)青年教師大賽獲得一等獎(jiǎng)的物理講課錄像中看到,有的教師控制其他變量不變,讓G變化,而f不變,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下.

實(shí)例3:一金屬盒內(nèi)裝有沙子,將其放在水平放置的臺(tái)秤上稱得質(zhì)量為0.48 kg,算得重力G1=4.8 N,則金屬盒與臺(tái)秤間的壓力N1=4.8 N.如圖3所示.

圖3

(1)如圖3(a)所示,用彈簧測(cè)力計(jì)沿水平方向勻速拉動(dòng)金屬盒,測(cè)得摩擦力f1=1.9 N;

(2)如圖3(b)所示,用氣球豎直向上吊著金屬盒,據(jù)電子稱示數(shù)算得壓力N2=3.6 N,測(cè)得f2=1.2 N;

(3)如圖3(c)所示,向金屬盒中加沙子,使金屬盒與臺(tái)秤間壓力恢復(fù)到4.8 N,測(cè)得摩擦力f3=1.9 N.

比較(2)與(1),金屬盒與沙子總重不變,壓力變小,摩擦力隨之變小,可得摩擦力與壓力有關(guān).

比較(3)與(1),壓力不變,重力增大了,摩擦力沒(méi)變,可得摩擦力與重力無(wú)關(guān).

本實(shí)驗(yàn)一舉兩得,既能說(shuō)明滑動(dòng)摩擦力與壓力有關(guān),又能說(shuō)明滑動(dòng)摩擦力與重力無(wú)關(guān),得到專家級(jí)評(píng)委們的稱贊.

實(shí)例3能說(shuō)明摩擦力與重力無(wú)關(guān)嗎?筆者認(rèn)為仍然不能說(shuō)明.

其一，金屬盒是放在水平放置的臺(tái)稱上的,其壓力是重力對(duì)支持物的作用效果表現(xiàn),摩擦力與壓力有關(guān),而壓力大小又與重力大小有關(guān),也就說(shuō)明摩擦力與重力大小有關(guān).

其二，向金屬盒中加沙子，金屬盒與沙子的總重力增大了,增大部分卻被氣球的拉力抵消了,所以效果沒(méi)變,摩擦力沒(méi)變.如同一小馬拉一大車(chē),拉力為500 N,速度為v1;換一大馬,拉力為800 N,又用一驢向后拉,拉力為300 N,結(jié)果車(chē)速仍為v1,之后得出結(jié)論:無(wú)論換多強(qiáng)壯的馬拉此車(chē),車(chē)速都不變.這個(gè)結(jié)論顯然是錯(cuò)的.

其三,(1)無(wú)氣球拉力作用,(2)、(3)皆有氣球拉力.(2)與(1)比較,(3)與(1)比較,皆沒(méi)有保持其他條件相同,屬不可比,所以,所得結(jié)論也就不正確.

筆者見(jiàn)過(guò)的教師舉的實(shí)例都不能說(shuō)明摩擦力大小與重力無(wú)關(guān),找不到恰當(dāng)?shù)膶?shí)例了嗎?請(qǐng)看下面實(shí)驗(yàn).

實(shí)例4：大木板B與木板A中間夾一個(gè)厚而小些的木板C,將木板B固定在豎直面內(nèi),木板A通過(guò)4個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力將A，B，C擠壓在一起而相對(duì)靜止,4個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉力相等,A的4個(gè)角有孔洞,B與A的4個(gè)孔洞對(duì)應(yīng)處也有孔洞,洞口有鉤可掛(或固定)彈簧測(cè)力計(jì),如圖4所示.

圖4

(1)如圖4(a)所示,向下勻速拉C,測(cè)得摩擦力f1=F拉1=1.8 N;

(2)如圖4(b)所示,在C上加重為G1=0.2 N的砝碼,向下拉力F拉2=1.6N,f2=F拉2+G2=1.6 N+0.2 N=1.8 N;

(3)如圖4(c)所示,在以上加重為0.5 N的砝碼,向下F拉3=1.3 N,f3=F拉3+G3=1.3N+0.5 N=1.8 N.

把木板C與所加砝碼看作一個(gè)整體,其重力不斷增加,但是,木板C與木板A,B之間的摩擦力不變,說(shuō)明摩擦力與重力無(wú)關(guān).

注:(1)讓砝碼不接觸木板A，B(之間無(wú)摩擦)；(2)本實(shí)驗(yàn)也可向水平方向拉動(dòng),受力分析隨之而變,仍可得摩擦力與重力無(wú)關(guān).

控制變量是科學(xué)實(shí)驗(yàn)必須遵從的原則,運(yùn)用時(shí)要符合邏輯關(guān)系,以便提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).