如何应对“测定动摩擦因数”实验——兼论高中物理实验教学

马 辉

（江苏省丰县中学 江苏 徐州 221700）

物理学是一门以实验为基础的学科，实验既是物理学的基础，也是学习物理的重要部分.实验既是落实物理课程目标，全面提高学生科学素养的重要途径，也是物理课程改革的重要资源，更是实现学生学习方式转变的重要载体.目前，设计型实验已成为高考物理实验的新热点，它要求学生将已掌握的物理知识和实验技能创造性地应用到新的实验情境中，由题设条件自行选定实验原理，确定实验方案，选择合适的器材去研究物理现象，探究物理规律，或测定物理量的值.设计实验是对学生综合处理实际问题和创造性思维能力的检验.本文针对“测定动摩擦因数”这一实验的近两年的有关高考题进行归纳说明，从而悟出高中物理实验教学的规律.

1 平衡类测法

方案1：图1表示用同一套器材测量铁块P与长金属板间的动摩擦因数的两种不同方法.已知铁块P所受的重力大小为5N.图1（a）使金属板静止在水平桌面上，用手通过弹簧测力计向右用力F拉P，使P向右运动；图1（b）把弹簧测力计的一端固定在墙上，用力F水平向左拉金属板，使金属板向左运动.

两种方法比较，你认为哪种方法可行？_____.你判断的理由是______.

图中已把两种方法中弹簧测力计的示数（单位：N）情况放大画出，则铁块P与金属板Q间的动摩擦因数的大小是______.

图1

解析：以铁块P为研究对象，显然，在图1（a）所示方法下，弹簧测力计对铁块P的拉力只有在铁块匀速前进时才等于滑动摩擦力的大小，但操作上很难保证铁块P匀速前进.而在图1（b）所示方法下，不论金属板如何运动，铁块P总是处于平衡状态（静止），弹簧测力计的示数等于铁块所受摩擦力的大小，故图1（b）所示方法切实可行，由图可知铁块所受摩擦力为Ff＝2.4N.由于铁块在水平方向运动，其在竖直方向受力平衡.其正压力在数值上等于铁块所受的重力大小，即

代入数据得

说明：本方案来源于现行教材内习题中测定物体与水平面间的动摩擦因数的方法，此例将习题转变为实验方案是可贵之处.

方案2：将细线的一端系在木板上，另一端系在测力计上，在静止时测出木块重为G，将木块放在斜面上，用测力计沿平行于斜面方向向上匀速拉动木块，记下测力计读数F1，接着用测力计向下匀速拉动木块，记下测力计读数F2.求木块与木板之间的动摩擦因数.

解析：设斜面倾角为θ，有

说明：本方案把现行教材中的习题，在水平面上测动摩擦因数的方法创造性地迁移到斜面上，并成功地运用了逆向思维，沿斜面向上、向下拉，从而解决问题.

2 牛顿定律类测法

方案1：（2011年高考重庆卷）某同学设计了如图2所示的装置，利用米尺、秒表、轻绳、轻滑轮、轨道、滑块、托盘和砝码等器材来测定滑块和轨道间的动摩擦因数μ.滑块和托盘上分别放有若干砝码，滑块质量为M，滑块上砝码总质量为m′，托盘和盘中砝码的总质量为m.实验中，滑块在水平轨道上从A到B做初速为零的匀加速直线运动，当地重力加速度g取10m／s2.

（1）为测量滑块的加速度a，须测出它在A，B间运动的______与______，计算a的运动学公式是______；

（2）根据牛顿运动定律得到a与m的关系为

图2

他想通过多次改变m，测出相应的a值，并利用上式来计算μ.若要求a是m的一次函数，必须使上式中的______保持不变，实验中应将从托盘中取出的砝码置于______；

（3）实验得到a与m的关系如图3所示，由此可知μ＝______（取两位有效数字）.

图3

解析：（1）滑块在水平轨道上从A到B做初速为零的匀加速直线运动，根据s＝at2，得a＝，所以需要测量的是位移和时间.

（2）根据整体法有

在2012年高考山东试卷中，就将此方案改为：当重物落地后测物块减速运动的加速度，用μ＝来计算物块与桌面间的动摩擦因数，则计算结果比动摩擦因数的真实值偏大.

方案2：一打点计时器固定在斜面上某处，一小车拖着穿过打点计时器的纸带从斜面上滑下（图4），图5是打出纸带的一段，其中g为当地重力加速度.

图4

图5

（1）已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz，利用图5给出的数据可求出小车下滑的加速度a＝______.

（2）为了求出小车在下滑过程中所受的阻力，还需测量的物理量有______.用测得的量及加速度a表示动摩擦因数的计算公式为μ＝______.

解析：从纸带可以很方便地计算出

由牛顿第二定律可以写出加速度的表达式

可见，还需要知道斜面倾角的正弦和余弦值.可利用直尺测出斜面上任意两点间的距离l及这两点的竖直高度h，有

化简得

说明：本方案也可不用打点计时器，而用秒表（或光电门）测出下滑时间t，用米尺测出斜边长s，及斜面高h.有

方案3：（2011年高考山东卷）某探究小组设计了“用一把尺子测定动摩擦因数”的实验方案.如图6所示，将一个小球和一个滑块用细绳连接，跨在斜面上端.开始时小球和滑块均静止，剪断细绳后，小球自由下落，滑块沿斜面下滑，可先后听到小球落地和滑块撞击挡板的声音.保持小球和滑块释放的位置不变，调整挡板位置，重复以上操作，直到能同时听到小球落地和滑块撞击挡板的声音，用刻度尺测出小球下落的高度H，滑块释放点与挡板处得高度差h和沿斜面运动的位移x.（空气阻力对本实验的影响可以忽略）

（1）滑块沿斜面运动的加速度与重力加速度的比值为______.

（2）滑块与斜面间的动摩擦因数为______.

（3）以下能引起实验误差的是______.

a.滑块的质量

b.当地重力加速度的大小

c.长度测量时的读数误差

d.小球落地和滑块撞击挡板不同时

图6

解析：滑块沿斜面匀加速运动

小球自由落体

因时间相同，所以

滑块受重力和滑动摩擦力作用，由牛顿第二定律

质量和当地重力加速度都被约掉，不会引起误差.

说明：此方案巧妙之处在于不用打点计时器或秒表而用一把尺子测μ，从而避免测时间误差，借助滑块与自由落体物体的运动时间相同，达到目的.

3 功能关系类测法

方案1：用同种材料的木板构建如图7所示的斜面AB，平面BD，两面在B点接触良好且为弧形.让木块从A点由静止滑下，最后滑到C点而静止，用刻度尺量得斜面AB的长L1，高H，BC长L2.求物块与接触面材料之间的动摩擦因数.

图7

解析：由功能关系

说明：本方案的设计立足于能量观点，并把平面和斜面有机、巧妙地结合在一起，不仅问题情境新，而且起点高，是一个极有创意的方案，同时，也可只测斜面高H和AC间水平距离s，则

方案2：为测定木块与桌面之间的动摩擦因数，小亮设计了如图8（a）所示的装置进行实验.实验中，当木块A位于水平桌面上的O点时，重物B刚好接触地面.将A拉到P点，待B稳定后静止释放，A最终滑到Q点.分别测量OP，OQ的长度h和s.改变h，重复上述实验，分别记录几组实验数据.

（1）实验开始时，发现A释放后会撞到滑轮，请提出两个解决方法.

（2）请根据图1（b）表的实验数据在图1（c）作出s-h关系的图像.

（3）实验测得A，B的质量分别为m＝0.4kg，M＝0.5kg.根据s-h图像可计算出A木块与桌面间的动摩擦因数＝______（结果保留一位有效数字）.

（4）实验中，滑轮轴的摩擦会导致μ的测量结果______（选填“偏大”或“偏小”）.

图8

图9

解析：（1）木块A撞到滑轮是因为木块A运动到滑轮位置时速度不为零，若A不能撞到滑轮应减小绳子的拉力，即减小B的质量；或增加细绳的长度使木块A的初始位置远离滑轮；（2）利用描点作图法画出s-h的图像（图9）；（3）在M下落h的过程中，对系统利用动能定理得

M落地后以木块A为研究对象，有

（4）由于滑轮轴的摩擦，所以（3）中表示出的摩擦力μmg实际含有滑轮轴的摩擦力，即

所以，滑轮轴的摩擦力导致μ的测量结果偏大.

说明：本方案的设计立足于运用动能定理，并把不同研究对象的运用有机巧妙地结合在一起，不仅问题情境新，而且起点高，是一个极有创意的方案.同时考查利用图像处理数据，意在考查考生的实验探究能力.

可见，将学生实验的原理和方法进行迁移的设计型实验，对培养学生的发散思维、创新意识意义重大.因此，在实验教学中，我们应当对实验进行创新、完善、拓展，注重实验过程教学，增强实验的探索性、综合性，使之更贴近对实际问题的解决，培养学生的创新能力.同时，在实验的各个环节不失时机地从多角度进行设问，最大限度地启发学生的思维和发展学生的创新能力.

总之，通过对最近几年物理实验试题的分析，单靠记忆知识和套用模型解题已不可能在高考中取得好成绩.在实验题中考查学生的迁移能力和创新思维能力仍是今后命题的方向，教师要避免单纯的师讲生学的教学方式，把实验教学真正变为学生探究知识、训练能力的平台，引导学生通过各种形式的学习过程去形成自己的深刻体验，在过程中感悟，从而构建对事物的个人看法，形成“以实验为基础，以思维为中心，以过程为主线，以变式为手段”的探究新方式.