高中“滑动摩擦力”实验教具的改进研究

唐前军　汪志刚

摘要：传统实验探究影响滑动摩擦力大小的因素，是手拉着弹簧测力计牵引木块在木板上匀速运动，实验演示不直观，实验难度大。特别是滑动摩擦力方向学生难于真正理解。通过对传统的“滑动摩擦力”实验的改进，便能方便直观的演示滑动摩擦力的方向；通过拉力传感器和数码显示管，方便学生观察，容易探究出影响滑动摩擦力的因素，以及这些因素与滑动摩擦力的定量关系式。

关键词：探究性教学；滑动摩擦力；教具；课例

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2013）5（S）-0067-2

1.传统“滑动摩擦力”实验教具的不足

“滑动摩擦力”是高中《物理》（必修1）中的重要内容，它既是本章节的重点，又是以后学习牛顿运动定律、物体平衡、动量、能量等知识的基础。因此，学生对该内容学习的好坏将直接影响到许多力学问题的解决。本节课的重点是做好实验，引导学生探究滑动摩擦力产生的条件以及影响滑动摩擦力大小的因素，并得出关系F=μN。

以往探究影响滑动摩擦力大小的因素都是手拉着弹簧测力计牵引木块在木板上匀速运动，让学生观察测力计示数，根据二力平衡得到摩擦力大小。但在实验的过程中，我们发现了以下问题：（1）由于测力计指针和刻度很小，第一排的学生都难以观察，后面的学生更是无法看见；（2）手拉着测力计牵引木块“匀速”滑动，但在实际操作中很难做到匀速，因此测力计的读数忽大忽小、不稳定，学生不容易观察；（3）即使物块做匀速运动，由于弹簧测力计也在运动，读数时视线要随着弹簧测力计移动，要准确读数很难，测出的滑动摩擦力误差较大。难以探究出滑动摩擦力和压力之间的定量关系。

2.改进“滑动摩擦力”教具介绍

基于上述分析，我们特意设计制作了“滑动摩擦力”教具，该教具如图1所示。

该教具有两种使用方法：第一种是把图1中的竖直挡板及其附属设备去掉，木箱内侧装有轨道，轨道上有一个垫板，它可以沿着轨道来回滑动。木块置于垫板上，在支架、垫板，木块上都贴有红色的标记，用于判断它们的相对位置。可以先让三个标记对齐，学生通过观察标记的位置变化，直观判断出木块相对运动的方向。进而判断出摩擦力的方向。第二种使用方法如图1所示，将木块和木板叠放于水平桌面上，不可伸长的细线系住木块绕过定滑轮与竖直方向的压力传感器相连，用力拉动木板，使它在桌面上滑动，读出压力传感器的读数，根据二力平衡条件测出木块与木板间的滑动摩擦力。当拖动下面的木板时，静止的物块就会受到滑动摩擦力。由于木板太光滑，摩擦力太小，通过反复的研究发现，牛皮纸反面的粗糙程度最合适，也便于拖动，因此用牛皮纸来代替课本中的木板，可以大大的提高实验的精确性。在实验操作中，由于滑动摩擦力与相对运动速度无关，无需匀速的拖动牛皮纸，这给实验带来了极大的方便，通过观察改进后的实验发现，当拖动下面的牛皮纸时，发光二极管显示的读数也不再跳动了，可见设备的改进是非常成功的。

3.教学案例——“滑动摩擦力”教具的应用

在滑动摩擦力这一节中，滑动摩擦力方向的判断和滑动摩擦力大小的计算既是本节的重点又是本节的难点。

基于学生在初中对滑动摩擦力的认识。滑动摩擦力的定义和滑动摩擦力的产生条件学生都容易掌握理解，但学生容易有以下几个错误的认识：（1）滑动摩擦力的方向总是与运动方向相反；（2）滑动摩擦力一定是阻力；（3）静止的物体不会受到滑动摩擦力。

先在实验教具的支架、垫板和木块上都贴上红色的标记，以便于判断它们的相对位置，让三个标记对齐，由于支架相对于地面是静止的，可以把它看做是地面，教师迅速的向左拉动垫板，请学生注意观察，木块的运动情况，并作好记录。如果木块在支架标记的左边，则木块的运动方向是向左的，此时木块相对垫板滑动了；若木块在垫板标记的右边，说明木块相对于垫板的滑动方向是向右的，在这个过程中，根据滑动摩擦力的产生条件，有接触、挤压，相对滑动和接触面粗糙，所以受到了滑动摩擦力。然后根据物块的运动状态来判断滑动摩擦力的方向，由于滑动摩擦力拖着木块由静止向某一个方向运动了，所以滑动摩擦力的方向即是该方向。通过该自制教具的实验演示。能非常容易改正学生“滑动摩擦力的方向总是与运动方向相反”的错误认识。

对于“滑动摩擦力一定是阻力”的错误认识，教师可以这样，先让三个标记对齐，用力地抖动垫板的拉绳，由于垫板上的木块并没有受到绳子的拉力，但它却能在垫板上相对支架向前运动一定的位移，说明摩擦力起到动力的作用，也容易知道该力是滑动摩擦力。这个实验充分说明了滑动摩擦力不一定是阻力。

在第三个实验中，仍是让三个标记对齐，并将木块用细绳固定在支架的一端，然后向另一侧拉动垫板，很明显，木块相对于地面是静止的，但木块相对于垫板是有相对运动的。从数码显示管的读数中可以判断该木块在这个过程中也受到了滑动摩擦力，而木块却是静止的。这就证明了静止的物体也可能受到滑动摩擦力。

利用自制教具进行演示实验，澄清了几个容易混淆的认识，这里的实验运用了一定的观察方法，提高了学生的观察、分析和归纳的能力，整个学习过程中，学生的思维是积极主动的，学生从中有所发现，获得了一定的成就感。

最后探究滑动摩擦力的大小，可以先让学生回忆在初中探究影响滑动摩擦力大小因素的实验：将木块放置于水平长木板上，由弹簧测力计水平拖动木块做匀速运动，根据二力平衡，测出木块受到的滑动摩擦力，从而得到压力越大，接触面越粗糙，滑动摩擦力就越大，滑动摩擦力与相对运动速度和接触面积无关。在初中，学生得到的只是滑动摩擦力与压力的定性关系，不能测出它们之间的定量关系。利用该教具，滑块通过细线绕过定滑轮与竖直方向的拉力传感器相连，滑块置于水平长木板上，当我们拉动长木板时。滑块相对与拉力传感器而言是静止的，但相对于长木板运动且受到长木板施予的摩擦力，该力与细线对滑块的拉力平衡，由二力平衡容易知道这两个力大小相等，此时便可以通过数码显示管知道滑动摩擦力大小。由于木板太光滑，摩擦力太小，通过反复的研究发现，牛皮纸反面的粗糙程度最合适，也便于拖动，因此用牛皮纸来代替课本中的木板，可以大大的提高实验的精确性。在实验操作中，由于滑动摩擦力与相对运动速度无关，无需匀速的拖动牛皮纸，这给实验带来了极大的方便，通过观察实验结果，发现当拖动下面的牛皮纸时，数码显示管的读数没有跳动，会稳定在某一个数值。通过该实验教具进行实验后。对所获得的实验数据的分析不难发现。滑动摩擦力和压力的比值几乎是恒定的，也就是在误差允许的范围内，滑动摩擦力和压力的比值是相等的，由此得出滑动摩擦力与压力成正比，并得到数学关系式：f=μN。

教师用自己制作的教具与使用现成的教具来讲课，教学效果是不一样的。使用自制的教具，在实验教学中更加得心应手，更能让学生看到仪器的内部构造，了解实验的工作原理。更重要的是：当学生看到那些用生活物品与身边的常见材料来做实验，会使他们觉得物理离自己更近。更容易激发学生热爱物理、热爱科学的情感。

（栏目编辑 邓磊）