馮 莉

(四川省南充高級(jí)中學(xué)，四川 南充 637900)

“研究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”是人教版物理8年級(jí)下冊(cè)第8章第3節(jié)“摩擦力”的教學(xué)重點(diǎn).這個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生掌握測(cè)量滑動(dòng)摩擦力的實(shí)驗(yàn)技能，更強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷提出問(wèn)題、猜想與假設(shè)、制訂計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評(píng)估、交流與合作的科學(xué)探究過(guò)程，從而培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.但教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在一些不足，實(shí)際操作過(guò)程困難.基于此，本文對(duì)該實(shí)驗(yàn)的自制實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作出說(shuō)明，并闡述實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、總結(jié)實(shí)踐結(jié)果.

1 教材實(shí)驗(yàn)的解析

教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生根據(jù)圖1所示實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn).具體實(shí)驗(yàn)操作步驟：首先，用彈簧測(cè)力計(jì)水平拉動(dòng)木塊，使木塊沿水平長(zhǎng)木板勻速滑動(dòng)，根據(jù)二力平衡知識(shí)可知，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)就等于木塊受到的滑動(dòng)摩擦力大小；接著，運(yùn)用控制變量法，只改變木塊上的鉤碼數(shù)量，從而改變木塊對(duì)長(zhǎng)木板的壓力，測(cè)出此種情況下的滑動(dòng)摩擦力；然后，換用材料相同但表面更粗糙的長(zhǎng)木板，保持砝碼數(shù)量不變，測(cè)出此種情況下的滑動(dòng)摩擦力.[1]

圖1 研究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素

教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案存在以下幾點(diǎn)不足： (1) 依靠手難以保證木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng).(2) 不易控制拉力沿水平方向.(3) 難以探究接觸面積大小、物體運(yùn)動(dòng)速度大小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.(4) 更換材料繁瑣，操作麻煩.(5) 木板水平情況不易檢測(cè).

近幾年，針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的不足，很多教師提出了改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案.[2-5]常見(jiàn)改進(jìn)方案的主要思想是通過(guò)拉動(dòng)其他物體使研究物體相對(duì)于地面靜止.典型模型有2種，模型1如圖2所示，彈簧測(cè)力計(jì)固定不動(dòng)，拉動(dòng)長(zhǎng)木板運(yùn)動(dòng)；模型2為傳送帶模型如圖3所示，置于傳送帶上的木塊一端與固定不動(dòng)的彈簧測(cè)力計(jì)相連，改變傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)速度.雖然2種模型中，無(wú)論長(zhǎng)木板和傳送帶是否勻速運(yùn)動(dòng)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)都等于木塊所受滑動(dòng)摩擦力的大小，但2種改進(jìn)方案存在以下3點(diǎn)問(wèn)題：(1) 模型1將教材實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)的木塊變?yōu)殪o止，而初學(xué)者很難熟練掌握靜止的物體也可以受到滑動(dòng)摩擦力，因而對(duì)改進(jìn)模型較難理解，違背了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的直觀性原則；(2) 模型1中，彈簧測(cè)力計(jì)的自重會(huì)導(dǎo)致木塊所受拉力不在水平線上，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；(3) 模型2中，由于傳送帶表面凹凸不平，在啟動(dòng)傳送帶時(shí)，木塊容易滑落.

圖2 模型1：保持木塊不動(dòng),拖動(dòng)長(zhǎng)木板

圖3 模型2：傳送帶模型

基于模型1，也有教師提出了利用DIS(數(shù)字化信息系統(tǒng))將彈簧測(cè)力計(jì)用力傳感器代替，使測(cè)量結(jié)果更加精確，[6]如圖4所示.但依然不能解決學(xué)生難以理解模型原理的難題.

圖4 基于DIS的實(shí)驗(yàn)裝置圖

為了解決上述問(wèn)題，筆者在教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)思想的基礎(chǔ)上，自制了實(shí)驗(yàn)裝置.

2 自制實(shí)驗(yàn)裝置介紹

筆者用可調(diào)速電動(dòng)機(jī)代替手拉動(dòng)彈簧測(cè)力計(jì)，確保木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng).為了克服彈簧測(cè)力計(jì)自身重力導(dǎo)致木塊所受拉力不在水平線上的問(wèn)題，筆者進(jìn)一步將彈簧測(cè)力計(jì)與研究物體結(jié)合在一起，將兩者作為一個(gè)研究整體(如圖5所示).當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)細(xì)線拉動(dòng)整體做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)研究整體進(jìn)行受力分析，在水平方向上，它受到細(xì)線向右的拉力和地面向左的滑動(dòng)摩擦力，根據(jù)二力平衡的原理，滑動(dòng)摩擦力和拉力的大小相等，而拉力大小又可以通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)直接讀出來(lái)，因此滑動(dòng)摩擦力的大小就等于彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù).

圖5 克服彈簧測(cè)力計(jì)自身重力設(shè)計(jì)圖

為了解決以往實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中不完善的問(wèn)題，筆者通過(guò)將彈簧測(cè)力計(jì)嵌入到盒子內(nèi)部，設(shè)計(jì)制作了研究物體——摩擦套盒，如圖6所示.套盒總重為2 N，高和寬相同，盒頂透明，方便讀數(shù).套盒底部A面較光滑，B面切了3個(gè)面積相等的長(zhǎng)方形孔洞，從而改變接觸面積的大??；C面貼了粗糙的橡膠墊，從而改變接觸面的粗糙程度；透明盒頂有8個(gè)圓形凹槽，用于放置鉤碼，進(jìn)而改變接觸面所受壓力大小.再利用可調(diào)速電動(dòng)機(jī)，便可完成探究壓力大小、接觸面粗糙程度、接觸面積大小、物體運(yùn)動(dòng)速度大小4個(gè)因素對(duì)滑動(dòng)摩擦力大小的影響.

圖6 摩擦套盒實(shí)物圖

此外，為了確保木板保持水平，筆者在木板底部對(duì)稱地安裝了4個(gè)調(diào)平旋鈕，木板尾部安裝了水平儀.整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置主要由摩擦套盒、電動(dòng)機(jī)、調(diào)速器、調(diào)平旋鈕、水平儀、限位器構(gòu)成(如圖7所示).調(diào)平旋鈕、水平儀用于調(diào)節(jié)木板水平，電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)摩擦套盒做勻速直線運(yùn)動(dòng)，調(diào)速器可改變拉動(dòng)速度，限位器確保拉力水平.

圖7 摩擦力的測(cè)量與設(shè)備說(shuō)明

3 實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)論

(1) 盒頂不加鉤碼，讓套盒A面與木板接觸，利用電動(dòng)機(jī)改變摩擦套盒勻速直線運(yùn)動(dòng)速度，分別測(cè)出低速和高速情況下的滑動(dòng)摩擦力.

(2) 不加鉤碼，調(diào)速旋鈕旋至低速檔，分別讓A面和B面與木板接觸，測(cè)出此種情況下的滑動(dòng)摩擦力.

(3) 不加鉤碼，調(diào)速旋鈕旋至低速擋，分別讓A面和C面與木板接觸，測(cè)出此種情況下的滑動(dòng)摩擦力.

(4) 調(diào)速旋鈕旋至低速擋，讓套盒A面與木板接觸，每次向盒頂左右各加1個(gè)50 g的鉤碼，對(duì)稱放置，測(cè)出此種情況下的滑動(dòng)摩擦力.

數(shù)據(jù)處理與分析：

針對(duì)4次實(shí)驗(yàn)，分別選取4組學(xué)生的數(shù)據(jù)，記錄如表1-4.

表1 滑動(dòng)摩擦力與物體運(yùn)動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析表1和表2數(shù)據(jù)可得出結(jié)論,滑動(dòng)摩擦力的大小跟物體運(yùn)動(dòng)速度和接觸面積大小無(wú)關(guān)；分析表3和表4數(shù)據(jù)可得出結(jié)論，滑動(dòng)摩擦力的大小跟接觸面的粗糙程度和接觸面所受的壓力有關(guān)，接觸面越粗糙、接觸面所受的壓力越大，滑動(dòng)摩擦力越大.

表2 滑動(dòng)摩擦力與接觸面積實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 滑動(dòng)摩擦力與接觸面粗糙程度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察表4數(shù)據(jù)：當(dāng)壓力從2 N變成4 N時(shí)，滑動(dòng)摩擦力也變成原來(lái)的2倍，當(dāng)壓力從2 N變成6 N時(shí)，滑動(dòng)摩擦力也變成原來(lái)的3倍，學(xué)生很容易猜想到滑動(dòng)摩擦力大小可能與壓力大小成正比.此時(shí)，教師利用更精確的測(cè)量工具拉力傳感器來(lái)驗(yàn)證這一猜想.首先，用拉力傳感器替換彈簧測(cè)力計(jì)的摩擦套盒，打開(kāi)DIS中相應(yīng)軟件，每次向盒頂左右各加1個(gè)50 g的鉤碼，選取數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定部分取平均值，如圖8所示，依次得到6組數(shù)據(jù)，在已自動(dòng)描出6個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)系中，選擇直線擬合，便得到一條近似過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線.因此可以粗略得出——當(dāng)接觸面粗糙程度一定時(shí)，滑動(dòng)摩擦力大小與壓力大小成正比.

圖8 f-FN圖

接著，改變接觸面材料，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn).如圖9所示，分別是橡膠墊與木板、棉布與木板接觸時(shí)得到的圖像.

圖9 f-FN圖

綜上，可以得出結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，當(dāng)接觸面粗糙程度一定時(shí)，滑動(dòng)摩擦力大小與壓力大小成正比.

4 自制實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思想完全來(lái)源于教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，學(xué)生容易理解.

(2) 用可調(diào)速電機(jī)代替手，確保了物體做勻速直線運(yùn)動(dòng).

(3) 一套裝置可探究多個(gè)影響因素，操作簡(jiǎn)單，易于推廣.

(4) 實(shí)驗(yàn)裝置中調(diào)速電機(jī)的選取、摩擦套盒的設(shè)計(jì)、調(diào)平旋鈕及水平儀的選取、DIS的利用，增加課堂趣味性和科學(xué)性的同時(shí)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)新意識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和科學(xué)探究精神.