劉增澤++馮杰

摘 要：摩擦力實驗難觀察，教師難直觀演示，使摩擦力演示實驗可視程度低。牛頓三定律可實現(xiàn)摩擦力實驗的轉換設計，從物理學發(fā)展來看牛頓三定律與摩擦力有著千絲萬縷的聯(lián)系，了解兩者間的關系，有助于教師創(chuàng)新設計摩擦力實驗。

關鍵詞：摩擦力；牛頓三定律；實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）8-0061-3

摩擦力是中學力學所要學習的重要內容，在教學過程中需要通過實驗去更加直觀地讓學生理解摩擦力的相關知識。但是，摩擦力實驗又是十分不易觀察與操作的，因此應當采用轉換的思維去進行實驗的設計。摩擦力實驗該如何設計呢？從亞里士多德“力是維持物體運動的原因”的錯誤觀點，到伽利略排除摩擦力干擾進行的理想斜面實驗，直至牛頓歸納總結形成牛頓三定律的產生，摩擦力都穿插在其中。它既是人們認識力的障礙也是動力，因此牛頓三定律與摩擦力有著千絲萬縷的聯(lián)系。在實際教學中摩擦力實驗設計與牛頓三定律更是相依相伴的關系。

1 摩擦力實驗在教學中的困境

首先，從人們對摩擦力本質討論的發(fā)展進程來看：摩擦力從人類文明建立就開始被人類認識，但卻沒有明確的描述，直至伽利略給出了力的概念，特別是伽利略理想斜面實驗里面所排除的就是摩擦力的影響，從作用效果上去闡述的摩擦力；之后，15世紀至18世紀，科學家們提出的一種關于摩擦力本質的理論——凹凸嚙合說；基于凹凸嚙合說，英國學者德薩左利厄斯于1734年提出——粘附說[1]；到現(xiàn)在我們所采用的摩擦力概念，摩擦力本質在不斷地研究和完善中。

其次，從現(xiàn)有摩擦力的定義分析，兩個互相接觸的物體且接觸面存在彈力，當它們發(fā)生相對運動或有相對運動的趨勢時，就會在接觸面上產生一種阻礙相對運動的力，這種力就叫做摩擦力[2]。也就是說摩擦力是兩存在彈力的物體間，要想測量就好比測量物體內部的性質一樣，直接觀察這種力是非常困難的，直接在兩物體間進行測量也是幾乎不可能的。

最后，從摩擦力的分類上來看，其中中學的分類是：靜摩擦力、滑動摩擦力和滾動摩擦力。靜摩擦力，物體僅有運動趨勢，如果產生這個運動趨勢是一個隱力或者合力，不僅難測量大小，連方向都很難掌握；而滑動摩擦力方向與運動方向相反，大小則借助受力分析得出；滾動摩擦則更為復雜。那么，三者的測量實驗實驗設計是十分困難的。

2 摩擦力實驗設計遵循的原則與思維方法

摩擦力實驗的設計遵循實驗的基本原則：科學性原則、精確性原則、探究性原則、安全性原則、簡便性和直觀性原則、趣味性原則等[3]?；谀Σ亮Ρ旧聿灰诇y量的特征，實驗特別需要遵循客觀性原則，如果通過轉化進行測量，需要明確講解轉化的過程，明確測量結果與實驗探究之間的關系，從而使學生從本質上了解摩擦力的相關性質規(guī)律。

基于摩擦力本身的特點，主要可應用的思維方法：

轉化法：將一個不容易測量的量轉化為容易測量的量。

替代法：又叫等效法，用一個已知量替代被測量，調整此標準量，使整個系統(tǒng)恢復到測量前的狀態(tài)，則被測量等于標準量。

控制變量法：多變量實驗，控制部分變量進行研究[4]。

3 從牛頓三定律角度設計摩擦力實驗

基于以上思維原則與方法，進行摩擦力實驗便有了基本思路，如何具體應用則是在實際教學中的一個困擾師生的主要問題。下面將從牛頓三定律的角度去論述設計摩擦力的相關實驗。

3.1 牛頓三定律與摩擦力實驗緣起

牛頓第一定律：任何物體在不受任何外力的作用下，總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止[5]。牛頓第一定律是整個牛頓三定律的基礎，它給出了慣性的定義，同時給出了力的定義，因此所有的力學的內容都是基于此定律進行的。因此，摩擦力實驗更是基于牛頓第一定律的基礎之上進行的。

牛頓第二定律：物體加速度的大小跟物體受到的作用力成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。牛頓第二定律將力與運動聯(lián)系在了一起，根據(jù)轉換法，很容易通過F=ma將對力的測量轉化為對運動的測量，從而實現(xiàn)了將一個不易測量的量轉化為容易測量的量。

牛頓第三定律：當兩個物體互相作用時，彼此施加于對方的力，其大小相等、方向相反[6]。摩擦力存在的條件就是基于兩個物體的相互作用，因此牛頓第三定律就是基于兩個物體相互作用的規(guī)律。也正是替代方法在摩擦力實驗中的理論基礎。

3.2 牛頓三定律在摩擦力實驗設計過程中的應用

牛頓第一定律的重要意義已經闡述，下面具體實驗設計過程將主要從牛頓第二定律與牛頓第三定律展開。以中學教學重點滑動摩擦力的相關實驗進行闡述。

1.滑動摩擦力大小的測量實驗

第一步：確定測量量——滑動摩擦力。

第二步：確定測量方法——間接測量。

可選擇的測量方法一分析：可以根據(jù)受力分析，運用平衡力測量出與滑動摩擦力等大的平衡力，需要注意等大的平衡力時物體的運動狀態(tài)是勻速直線運動或靜止，那么需要創(chuàng)造勻速運動的狀態(tài)，這種狀態(tài)的創(chuàng)設是存在一定難度的。

可選擇的測量方法二分析：根據(jù)牛頓第二定律進行轉化，由于勻速運動的狀態(tài)不容易創(chuàng)造，因此可以任意給物體一個比最大靜摩擦力大的力，使之做勻變速直線運動，就可轉化為測量物體運動的相關實驗，這樣的運動狀態(tài)相對比較容易控制。

可選擇的測量方法三分析：根據(jù)牛頓第三定律相互作用力進行等效替換，創(chuàng)造相對運動，測量靜止物體所受摩擦力的大小。

第三步：確定實驗儀器及方法。

實驗方法一，可選用DIS滑動摩擦力測量組件，通過勻速電機牽引滑塊創(chuàng)造勻速運動狀態(tài)，拉力傳感器直接將數(shù)據(jù)輸入計算機系統(tǒng)。

實驗方法二，根據(jù)牛頓第二定律F=ma，要測量物體運動的加速度，可直接通過光電門等一起直接測出，根據(jù)F=ma、△s=at2也可通過測量物體運動的位移與時間來確定。同樣需要注意，還需要創(chuàng)造一個與接觸面平行的合外力，最簡單的利用自身重力的分量創(chuàng)造大于最大靜摩擦力的力，使物體產生勻加速直線運動。因此，需要一個斜面（角度要適宜），一個滑塊，一個計時儀器（如秒表或打點計時器等），一個測量長度的儀器（米尺或刻度尺等）。其次，還可以通過外加力法實現(xiàn)，則需要提供恒定大小的力，則可以試用豎直的勾碼組通過細線經定滑輪轉向提供水平力。其余就是測量儀器，時間測量儀器，長度測量儀器，彈簧測力計，如圖1所示。endprint

實驗方法三，根據(jù)牛頓第三定律完成替代，則需要兩個滑塊，一個彈簧測力計，勾碼組合提供穩(wěn)定遷移力。其余就是測量儀器，彈簧測力計，如圖2所示。

通過上面的分析，可以發(fā)現(xiàn)實驗儀器主要分為兩大類：實驗用具和測量儀器。那么，在測量滑動摩擦力這個實驗設計中：

實驗用具：滑塊、細線、勾碼、定滑輪、斜面等；

測量工具：光電門、拉力傳感器、秒表、打點計時器、彈簧測力計、刻度尺等。

第四步：確定實驗過程。以上三種方法都遵循以下過程：首先受力分析，如有恒定外力先測量恒定外力的大小，其次根據(jù)牛頓定律進行的思維方式選定的方法，對實驗儀器進行操作，讀出測量儀器的相關數(shù)據(jù)，直接得出摩擦力大小或將數(shù)據(jù)帶入公式得出摩擦力的大小。

2.測量滑動摩擦因數(shù)大小

與第一個實驗的設計過程基本一致，下面將主要分析如何從牛頓三定律角度設計解決滑動摩擦力不能直接測量的問題，從而進行思維的轉化。

牛頓第一定律給出了實驗的初態(tài)，不受外力時，物體保持靜止或勻速直線運動。

牛頓第二定律，提供了轉換法的一條思路——F=ma、△s=at2，通過測量位移和時間就可以得出合外力的大小，再通過測量和受力分析就可以得出摩擦力的大小。根據(jù)f=μN，改變滑塊的載重就可以改變彈力N的大小，得出對應的滑動摩擦力的大小，計算得出摩擦因數(shù)。

牛頓第三定律，提供了替代法的一條思路——以靜替代動，通過測量相對運動的靜止滑塊，測出摩擦力，依然根據(jù)f=μN，改變滑塊A的載重就可以改變彈力N的大小，得出對應的滑動摩擦力的大小，計算得出摩擦因數(shù)。

3.探究影響滑動摩擦力大小的因素

這是一個學生探究實驗，也是一個控制變量的實驗，因此進行設計時要將實驗形式盡可能總結全面，這樣才能確定盡可能全面的實驗儀器，以便于學生進行選擇與設計。針對于這個實驗，從牛頓三定律角度該如何去看待這個實驗的設計過程呢？

牛頓第一定律同樣是給出了實驗的初態(tài)，不受外力時，物體保持靜止或勻速直線運動。

牛頓第二定律同樣將對力的測量轉換到了運動的測量，這個實驗重在探究關系，不需要準確的數(shù)據(jù)，因此根據(jù)F=ma、△s=at2可直接探究不同正壓力、不同接觸面粗糙程度下合外力與時間的關系，只需要保證滑塊滑動的位移一致。便于測量，運動狀態(tài)容易創(chuàng)造，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

牛頓第三定律仍可以以靜代動，原理同以上兩個實驗，使測量更加容易。

三個實驗通過牛頓三定律進行思維轉化便可以解決勻速狀態(tài)不易獲得，數(shù)據(jù)不能直接測量等問題。當然，將牛頓三定律結合在一起進行設計，測量數(shù)據(jù)更加準確簡單。方式是將實驗一第三種方法中外力F根據(jù)牛頓第二定律的設計思想，換成勾碼滑輪組合，進而能實現(xiàn)B板產生穩(wěn)定的勻加速直線運動狀態(tài)，使彈簧秤產生的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。了解了牛頓三定律與摩擦力實驗千絲萬縷的聯(lián)系，有助于教師更好地應用和創(chuàng)新實驗設計，將摩擦力實驗效果表現(xiàn)得更加出色。

4 總 結

實驗設計是一個邏輯性很強的過程，設計實驗時需要注意思維的轉化，牛頓三定律是聯(lián)系力與運動的一個紐帶，牛頓三定律將內斂的摩擦力表現(xiàn)出奔放的熱情，從牛頓三定律角度去分析設計將會擴展實驗設計的思路，簡化實驗過程，促進實驗創(chuàng)新，提升實驗效果。

參考文獻：

[1]盧堂枝.關于“摩擦力”概念的討論[J].教學與管理，2003（03）：65-66.

[2]李友興.淺談中學物理實驗設計思維方法[J].中學物理教學參考，2007（Z1）：36-38.

[3]陳利.熟悉又陌生的摩擦力[J].中學生數(shù)理化（八年級物理）（配合人教社教材），2016（Z1）：10-12.

[4]顧燕紅.中學物理教學實驗設計理論的初步研究[D].蘇州：蘇州大學碩士學位論文，2006.

[5]孫麗媛，徐恩生，羅洪超.牛頓第一定律的實質、地位和作用[J]. 沈陽航空工業(yè)學院學報，2005（02）：78-79+3.

[6]范增.我國高中物理核心概念及其學習進階研究[D].重慶：西南大學博士學位論文，2013.

（欄目編輯 王柏廬）endprint