摩擦力演示装置

刘召新

（余姚市第四中学，浙江 余姚315400）

1 引 言

摩擦力的教学是高中物理力学教学的一个难点，因为它是条件力，具有很强的抽象性，学生很难仅仅凭借自己的思维理解摩擦力．同时它又是具有重要性质的力，对摩擦力的掌握情况会成为高中生力学分析的关键问题．用实验去探究摩擦力是解决这一教学难点的最佳方法，不但符合了物理学研究的基本方法，而且符合学生的认知规律．根据多年的教学经验，经反复尝试，研制了集静摩擦力和滑动摩擦力研究功能于一体的摩擦力演示仪，从而很好地解决了摩擦力教学过程中的实验探究问题．本文就该演示仪的制作过程、各部分结构功能和实际使用的情况进行介绍．

2 实验仪器的制作原理

自制摩擦力演示装置根据摩擦力产生的条件，即物体间的接触面粗糙，且存在弹力时，采取方法使物体间产生相对运动趋势，从而产生静摩擦力；随着运动趋势的加强，静摩擦力逐渐增大至最大；物体间产生相对运动后，转化为滑动摩擦力．该装置采用传感器的直接输出，所以结果直观，实验现象清晰明显．实验通过进一步增大物重改变弹力的大小、改变接触面和改变相对运动的速度大小等条件的变化，可深入探究摩擦力．

3 实验装置的制作方法

将实验滑块与传感器水平相连，放置于帆布所做的无接缝传送带上．传送带左端与转轮紧密吸附在一起，当手柄摇动时，转轮通过与传送带间的摩擦力带动传送带运动，将以上各部分通过塑料外壳集中为一个整体，如图1所示．

图1 摩擦力演示装置

4 装置的主要结构和功能介绍

1）数字面板将滑块与传送带之间的摩擦力通过模拟电路转化为数字信号直接显示出来．左边的面板记录最大静摩擦力的数值，右边的面板记录滑动摩擦力的数值．

2）清零按钮．每次实验先利用该按钮清零．

3）数字电路开关．控制数字电路的电源．

4）挂式连接杆．将实验滑块与传感器电路连接，这种结构不但方便于改变接触面时的连接，而且消除了大部分干扰因素对本实验的影响．

5）实验滑块．各个面的粗糙程度做成不同，并且在滑块的面上预留可以放置砝码的凹槽，避免砝码从滑块上脱落．

6）传送带．选用粗糙程度一致的无接缝布料，在手摇柄的带动下产生与实验滑块之间的相对运动趋势和相对运动．

7）手摇柄．通过手摇柄的转动带动传送带，之所以不采用电动机就是为了控制传送带由静止到逐渐运动，将静摩擦力的产生过程呈现出来．

8）电池仓．采用2节1．5 V干电池．

5 实际教学中的探究过程

1）将本演示器放在水平桌面上，连接好实验滑块，打开电源，然后清零．

2）缓慢摇动转轮手柄带动传送带，使滑块和传送带之间产生运动趋势，从而产生静摩擦力，随着运动趋势的加强，静摩擦力也随之逐渐增大，直至滑块和传送带之间发生相对运动．此过程静摩擦力的大小可以通过瞬时值数字面板直观地显示出来，最大值数字面板记录了该过程的最大静摩擦力．

3）当滑块和传送带之间发生相对运动之后，可以通过瞬时值数字面板反映出滑动摩擦力，同时与最大静摩擦力进行对比，容易得出最大静摩擦力略大于滑动摩擦力的结论．

4）改变传送带的运动速度，观察摩擦力的变化，可以探究出滑动摩擦力的大小与相对运动速度无关．

5）在保证接触面的粗糙程度一定的前提下，将实验滑块分别平放和侧放，只改变接触面积，重复步骤1），可以探究出滑动摩擦力的大小与接触面积无关．

6）在保证接触面的粗糙程度一定的前提下，通过在滑块上方添加砝码的方法增加滑块与传送带之间的正压力，可以探究出压力越大，滑动摩擦力越大．

7）在正压力一定的前提下，改变滑块与传送带之间接触面的粗糙程度，可以探究出滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关．

6 结束语

实验装置中结合了传感器，将抽象的摩擦力变化过程直观地以数字化显示出来，实验效果直观，学生对摩擦力的产生条件和影响因素有了深入理解．同时利用该教具可全面探究静摩擦力和滑动摩擦力的产生及演变过程，很好地将静摩擦力的产生和变化过程和从静摩擦力到滑动摩擦力的渐变过程反映出来，并且利用2个数字面板记录摩擦力，很好地对比最大静摩擦力和滑动摩擦力的大小关系．另外，本教具结构紧凑，外型简洁美观，方便课堂演示实验的教学．