鄭行軍

(福建省福鼎市第一中學(xué),福建 福鼎 355200)

·試題研究·

測(cè)動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)命題設(shè)計(jì)研究

本文系福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“互聯(lián)網(wǎng)+物理習(xí)題的教學(xué)設(shè)想與實(shí)踐探究”(批準(zhǔn)號(hào):FJKYJD16-29)的成果之一.

鄭行軍

(福建省福鼎市第一中學(xué),福建 福鼎 355200)

測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)是近幾年高考的熱點(diǎn)之一,對(duì)學(xué)生的綜合學(xué)習(xí)能力有較高的要求.本文通過對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行總結(jié)和歸類,建構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)解決方案,提高學(xué)生的知識(shí)遷移和應(yīng)用能力.

動(dòng)摩擦因數(shù);力平衡法;動(dòng)力學(xué)關(guān)系;動(dòng)能定理;功能關(guān)系

在近幾年的高考中,測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)逐漸增多,已成為高考中新的熱點(diǎn)之一,此探究實(shí)驗(yàn)注重對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的考查與應(yīng)用,內(nèi)容不拘泥于教材和考綱,考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新思維能力[1].本文通過對(duì)各種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行總結(jié)和分析,系統(tǒng)地構(gòu)建實(shí)驗(yàn)考查的知識(shí)體系,為解決實(shí)驗(yàn)問題提供理論依據(jù).

1 利用力平衡法測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)

例1：某同學(xué)在探究靜摩擦力變化規(guī)律及滑動(dòng)摩擦力變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)了如圖1甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置,力傳感器A與計(jì)算機(jī)連接,可獲得力隨時(shí)間變化的規(guī)律,將力傳感器固定在水平桌面上,測(cè)力端通過細(xì)繩與一滑塊B相連(調(diào)節(jié)傳感器高度可使細(xì)繩水平),滑塊放在較長(zhǎng)的小車上,小車一端連接一根輕繩并跨過定滑輪系一只空沙桶(調(diào)節(jié)滑輪可使桌面上部細(xì)繩水平),整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài).實(shí)驗(yàn)開始時(shí)打開傳感器,同時(shí)緩慢向沙桶里倒入沙子,若力傳感器采集的圖像如圖1乙所示,由圖像可知,滑塊B與小車間的靜摩擦力最大值為________N,已知滑塊B重10.0N,滑塊B與小車間的動(dòng)摩擦因素μ= .

圖1

解析:在整個(gè)過程中,滑塊B受到水平向右的摩擦力f與水平向左的傳感器的拉力F,滑塊始終靜止,處于平衡狀態(tài),則f=F;緩慢向沙桶里倒入沙子,當(dāng)小車由靜止剛好開始運(yùn)動(dòng)時(shí),滑塊與小車間的靜摩擦力達(dá)最大值,由圖1乙可知,滑塊與小車間的最大靜摩擦力fmax=F=3.5N;當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)時(shí),滑塊與小車間的摩擦力是滑動(dòng)摩擦力,由圖乙可知,f=F″=3N,由f=μG，得滑塊B與小車間的動(dòng)摩擦因素μ=0.3.

2 利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)

例2：為測(cè)定小物塊P與圓形轉(zhuǎn)臺(tái)B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)(設(shè)滑動(dòng)摩擦力與最大靜摩擦力相等),某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行如下操作:

A. 用天平測(cè)得小物塊P的質(zhì)量m;

B. 測(cè)出遮光片外邊沿到圓心的距離為R+L;

C. 將小物塊P放在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上,并讓電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)光電門的位置,使固定在轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣的遮光片遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸的一端恰好能掃過光電門的激光束;

D. 轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定后,從與光電門連接的計(jì)時(shí)器讀出遮光片每次經(jīng)過光電門的時(shí)間,并可以計(jì)算出遮光片外邊沿的速率為v.

E. 不斷調(diào)整小物塊與轉(zhuǎn)臺(tái)中心的距離,當(dāng)距離為r時(shí),小物塊隨轉(zhuǎn)臺(tái)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)恰好不會(huì)被甩出．

已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間,那么,轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角速度ω=________,小物塊與轉(zhuǎn)臺(tái)間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=________,實(shí)驗(yàn)中不必要的步驟是________(填步驟序號(hào)).

圖2

3 利用動(dòng)力學(xué)關(guān)系測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)

例3：為了測(cè)量某材質(zhì)的木塊與牛皮紙之間的動(dòng)摩擦因數(shù),一位同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖3的實(shí)驗(yàn)，在斜面和水平面上貼上待測(cè)牛皮紙,保證木塊放在斜面頂端時(shí)能加速下滑,斜面與水平面間平滑連接，已知斜面傾角為θ.讓木塊從斜面頂端由靜止開始下滑,該同學(xué)只用一只秒表就完成了測(cè)量任務(wù).

(1) 該同學(xué)需要測(cè)量的物理量是________;

(2) 動(dòng)摩擦因數(shù)的表達(dá)μ=.

圖3

4 利用動(dòng)能定理測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)

例4：某興趣小組要測(cè)量木塊與較粗糙木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù),他們先將粗糙木板水平固定,再用另一較光滑的板做成斜面,傾斜板與水平板間由一小段光滑曲面連接,保證木塊在兩板間通過時(shí)速度大小不變.

(1) 使木塊從相對(duì)水平木板高h(yuǎn)處由靜止滑下,并在水平板上滑行一段距離x后停止運(yùn)動(dòng),改變h大小,進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),若忽略木塊與傾斜板間的摩擦,以x為橫坐標(biāo)、h為縱坐標(biāo),從理論上得到的圖像應(yīng)為________;

圖4

(2) 如果考慮木塊與傾斜板之間的摩擦,在改變h時(shí),他們采取的辦法是:每次改變傾斜板的傾角,讓木塊每次由靜止開始下滑的位置在同一條豎直線上,且測(cè)出該豎直線與兩板連接處的水平距離為L(zhǎng),如圖4甲所示.將每次實(shí)驗(yàn)得到的h、x相關(guān)數(shù)據(jù)繪制出的h-x圖像如圖4乙所示,圖線的延長(zhǎng)線與兩坐標(biāo)軸的交點(diǎn)坐標(biāo)分別為(-a,0)和(0,b),則木塊與傾斜板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ1=________,木塊與水平板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ2=.

5 利用功能關(guān)系測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)

圖5

例5：某小組利用圖5所示實(shí)驗(yàn)裝置來測(cè)量物塊A和長(zhǎng)木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ.

① 把左端帶有擋板的足夠長(zhǎng)的長(zhǎng)木板固定在水平桌面上,物塊A置于擋板處,不可伸長(zhǎng)的輕繩一端水平連接物塊A,另一端跨過輕質(zhì)定滑輪掛上與物塊A質(zhì)量相同的物塊B.并用手按住物塊A,使A、B保持靜止.

② 測(cè)量物塊B離水平地面的高度為h.

③ 釋放物塊A,待物塊A靜止時(shí)測(cè)量其運(yùn)動(dòng)的總距離為s(物塊B落地后不反彈).

回答下列問題:

(1) 根據(jù)上述測(cè)量的物理量可知μ=.

(2) 如果空氣阻力不可忽略,該實(shí)驗(yàn)所求μ值.(填“偏大”或“偏小”)

(2) 當(dāng)空氣阻力不可忽略時(shí),會(huì)產(chǎn)生熱量,會(huì)使B物體落地瞬間時(shí),A或B的動(dòng)能減小;使B落地后,A做勻減速運(yùn)動(dòng),A的位移為(s-h)變小,所以會(huì)使μ偏大．

從以上實(shí)驗(yàn)題可以看出,在分析“測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)”實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)注意捕捉題目中提供的諸多有價(jià)值的隱含性信息[2],判斷出命題者想要考查的知識(shí)點(diǎn)和意圖,才能順利解決問題.在具體分析過程中一般要關(guān)注:(1)一些新穎的實(shí)驗(yàn)題為我們提供的新知識(shí)和情境.(2)通過解讀表格,了解實(shí)驗(yàn)測(cè)量的物理量,根據(jù)表格中的數(shù)據(jù),判斷相關(guān)物理量之間的關(guān)系,如正比例關(guān)系、反比例關(guān)系、平方或開方關(guān)系、倒數(shù)關(guān)系等[3].(3)通過分析圖像，明確圖像的物理意義,找出物理量之間的函數(shù)關(guān)系,從而利用圖像中的相關(guān)數(shù)據(jù)(如斜率和截距)解決實(shí)驗(yàn)問題.

[1] 顧愛芬.對(duì)高中物理教材必修1《摩擦力》一節(jié)編排的一點(diǎn)建議[J].物理教學(xué)探討,2016,34(2):76-77.

[2] 鈕瑛.利用模型法測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù)的幾種方法[J].物理教師,2012,33(10):69-72.

[3] 孟藍(lán)宏.動(dòng)摩擦因數(shù)的常見測(cè)定方法[J].物理教學(xué)探討,2009,27(1):57-58.