滑动摩擦力实验改进实例

■　湖北省荆州市实验中学　汤祖军

湖北省石首市新厂初级中学　张小青

滑动摩擦力实验改进实例

■湖北省荆州市实验中学汤祖军

湖北省石首市新厂初级中学张小青

摩擦力是经典力学的一个概念，在初中学习甚至以后的高中学习阶段都是一个重难点。摩擦力指两个相互接触的物体，当它们作相对运动或有相对运动趋势时，在接触面会产生一种阻碍相对运动或相对运动趋势的力。滑动摩擦力是一个物体在另一个物体表面滑动时所产生的摩擦力。这时，相互接触的两个物体之间产生了相对运动，而滑动摩擦力具体表现为阻碍两个物体之间的相对运动。因此，滑动摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反。通过实验我们可以得出滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度及两个接触面之间的压力大小有关。具体的关系为：在接触面受到的粗糙程度相同时，接触面受到的压力越大滑动摩擦力越大；在接触面受到的压力相同时，接触面越粗糙滑动摩擦力就越大。在初中物理中，我们将摩擦力分为三种即静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。

关于滑动摩擦力的教学却是初中物理教学中一个难点和重点。摩擦力是初中物理力学中的最基础的知识，是力学中重要的台阶，滑动摩擦力对于物体的受力分析以及作力的示意图都很重要。它是今后学习运动和力、二力平衡、压强、浮力等概念规律的基础。

现使用的人教版物理教材中八年级下册第八章第三节的内容为摩擦力，在该章节中有一个重要的实验研究“影响滑动摩擦力大小的因素”。本实验的核心内容是：用测力计测出滑动摩擦力。实验方案的思想是：通过控制变量法测出滑动摩擦力，即在研究多因素问题时只改变多因素中的y一个量，而控制其他的量不变。从而探究得出影响滑动摩擦力大小的因素。

实验中要测出滑动摩擦力的原理是根据二力平衡的知识，让测力计水平拉动木块作匀速直线运动。由于二力平衡弹簧测力计对木块的拉力等于木块受到的滑动摩擦力大小。这样当指针示数稳定时，弹簧测力计的示数就等于木块受到的滑动摩擦力的大小。多数教师在处理本节教材时，都有一种感觉：若按照所使用的人教版教材上的实验装置和步骤做实验，不仅操作过程中难度比较大，而且实验误差大，以至通过实验得出的结果与理论相反。这样就迫使我们去寻找更好的方法来做该实验，从而得到更加准确地实验结果。

一、实验存在的问题

课改后，关于人教版物理教材中探究滑动摩擦力大小的影响因素实验有两个版本。鉴于原人教版中实验存在瑕疵，才出现了现行物理教材中的实验改版。

该实验的实验原理为由于弹簧测力计的拉动下木块做匀速直线运动，处于平衡状态。此时根据二力平衡，弹簧测力计的示数就是木块所受到的滑动摩擦力的大小。因此探究“影响滑动摩擦力大小因素”实验是否成功，其关键在于弹簧测力计的拉力作用下木块能否作匀速直线运动。实验时误差产生的两个原因就是：一是不易在让木块做匀速直线运动；二是弹簧测力计的读数不准确。（如果无法保证弹簧测力计做匀速直线运动，那么弹簧测力计的示数也就不稳定；还有一个方面接触面较为粗糙，用测力计拉动木块运动时，弹簧测力计本身在运动，不是处于静止状态的弹簧测力计的示数在不同的时刻有变化。这两个方面的原因使弹簧测力计的示数不可靠。）课本的实验中这两个问题都没有得到解决。一方面课本中是直接用手拉动弹簧测力计的，人为因素的影响很难使木块一直做匀速直线运动，这样弹簧测力计的示数就不能代表滑动摩擦力的大小；另一方面一直处于运动状态的弹簧测力计的示数可靠性也不高。这样两方面的原因是实验的结果并不可靠。

人教版的实验如此，但老师在实际的教学中、和学生的交流中、在大小的考试中碰到的关于影响滑动摩擦力大小因素的问题却不能如此解决。老师严谨的实验态度，学生关于实验的提问和设计，考试里关于实验设计的探究等都逼迫老师进行滑动摩擦力实验改进。

二、部分改进的方案

近年来，随着实验条件的改善、教改的深入，一些富有时代特色的“滑动摩擦力测量的实验”层出不穷，本文将收集到的一些有代表性的方案进行介绍。

方法一

原理：使木块在绳子的拉力下做匀速直线运动，木块处于平衡状态。根据二力平衡，木块在木板上受到的滑动摩擦力的大小就等于绳子的拉力。而砝码和砝码盘也处于平衡状态，根据二力平衡绳子的拉力等于砝码和砝码盘的重力。这样测得砝码盘和砝码的重力就能够知道木块所受到的滑动摩擦力的大小。

方法描述：如图，把长木板放在水平桌面上，通过滑轮连接砝码和砝码盘。往砝码盘中加砝码，在过程中调节，加减砝码一直到手推一下摩擦块后，木块刚好能够在长木板上做匀速直线运动。匀速直线运动处于平衡状态，根据二力平衡，此时摩擦力的大小等于砝码盘和砝码的总重。

优点：这样的设计或许能得到摩擦块的匀速直线运动，利用木块的重力拉动木块比直接用手更加稳定。利用重力等于摩擦力避免了使用弹簧测力计读数不稳定带来的误差。

缺点：调节过程比较繁琐，况且寻找合适的砝码组合让摩擦块做匀速直线运动也不是很容易。滑轮有一定的摩擦力对实验也有一定影响。另外，如何判断摩擦块的匀速直线运动也是我们肉眼进行判断的一个不好控制的环节。

方法二

原理:在水和水桶的重力的作用下使物体做匀速直线运动。匀速直线运动的物体处于平衡状态，物体受到的滑动摩擦力等于水和水桶的重力。用弹簧测力计测出水和水桶的重力就可以知道物体所受到的滑动摩擦力的大小。

方法描述：在方法一的基础上改进。实验装置如图，在实验时，往小桶中加入适量的水。使木板为水平状态，在往小桶中用胶头滴管滴入少量的水，直到物体木块开始做匀速直线运动。根据二力平衡，木块所受到的摩擦力的大小等于水桶和水的总重力。

优点：更容易使木块匀速直线运动。胶头滴管的使用能够使调节更加精确。木块受到的滑动摩擦力的大小就可以通过测桶和水的重力知道。

缺点：同样不好判定木块是否在长木板上做匀速直线运动，滑轮有一定的摩擦力会对实验结果造成影响

方法三

原理：利在水和水桶的重力的作用下使物体做匀速直线运动。匀速直线运动的物体处于平衡状态，物体受到的滑动摩擦力大小就等于水和水桶的重力。由于在实验二中，学生不好判断木块是否在做匀速直线运动，从而对实验产生了一定的影响。该实验的改进之处就是增加一个小的装置，用来判别木块是否在做匀速直线运动。该判别器的构造如下①轻质指针，用铝箔套或者轻质指针套着的大头针作为指针的轻轴；②弧形标尺，用画上均匀刻度的白色硬纸板的等物品做成；③支架。

方法描述：如图所示的装置中，使木板为水平状态。不断调节砝码盘中砝码的量直到木块可以做匀速直线运动为止。并且利用判别器判断木块在滑动过程中是否一直在做匀速直线运动，即判断指针的位置是否不变。木块做匀速直线运动，处于平衡状态。根据二力平衡，木块所受到的摩擦力大小就等于砝码和砝码盘的重力。砝码和砝码盘的重力可以通过弹簧测力计得出。

优点：实验时，用小指针位置的是否改变去判断木块是否在做匀速直线运动。因为物体在做匀速直线运动，根据二力平衡，木块所受到的摩擦力大小就等于砝码和砝码盘的总重力。上述改进给我们的启示是：实验的操作难度降低了，系统误差减小了，可观测性提髙了，数据采集精准了，实验者可以更加顺利地完成教学中的任务。

缺点：判别器本身存在一定的误差对判别木块是否做匀速直线运动存在一定的影响。定滑轮的摩擦也会带来一定的误差，教师自己动手制作该实验装置也存在一定的难度。

方法四

原理：在书本上的实验中让弹簧测力计拉动木块做匀速直线运动，弹簧测力计处于运动状态中，这样给弹簧测力计的读数带来了一定的误差。为了使弹簧测力计的读数准确，在实验过程中应该尽量保证滑动弹簧测力计静止。而摩擦力产生的条件之一就是要是木块与长木板之间发生相对运动，而木块与弹簧测力计相对于地面要保持静止，可以抽动木块下方的长木板。这样既保证了木块与长木板之间发生了相对运动，有使弹簧测力计相对于地面保持静止状态。在长木板的作用下，使木块相对于长木板向左运动，相对于地面静止，木块处于平衡状态。根据二力平衡，木块所受到的滑动摩擦力的大小就等于弹簧测力计的示数。

方法描述：实验装置如图，将弹簧测力计的一端固定住，另一端勾着小木块。使位于木块下方的长木板向右运动，木块就相对于长木板做水平向左运动，木块所受到的滑动摩擦力方向水平向右，与相对运动方向相反。木块相对于地面保持静止。木块处于平衡状态，根据水平方向上的二力平衡，弹簧测力计的示数大小就是木块所受到的滑动摩擦力的大小。

优点：如图装置所测到的滑动摩擦力的大小与物体运动速度大小无关，不需要匀速拉动木板，木块和他弹簧测力计处于静止状态，操作比较容易；同时测力计相对静止，容易读数。

缺点:此法是目前老师教学中采取的方法之一，但对于才接触力学时间不长的初二学生来讲理解却不是很容易，刚接触到二力平衡，此时要用二力平衡以及作用力与反作用力结合分析。并且接触面粗糙，拉动时弹簧测力计的读数不稳定。弹簧测力计悬空，弹簧自身的重力对弹簧测力计的读数有一定的影响。

三、感悟

很多时候，我们做实验只是按照书本上既定的模式去做，可在实验过程中的不顺利以及实验结果的不准确迫使我们去想更多的改进方法。正如在这个实验中，弹簧测力计读数的影响以及很难保证木板在手拉动下去做匀速直线运动。这两个大的缺陷让教师们去寻找更多更好的方法，也许在这个过程中遇到了很多的困难，花费了很多的时间。但看到一个个好的方法呈现在我们面前，实验做出来的效果更好，我们便觉得一切都很值得。

物理是一门以实验为基础的学科，本着科学态度和严谨的精神，我们一步步探索和发现。在实验中学生不仅可以收获知识，还可以提高对物理的兴趣。这使老师们越来越重视实验，完善实验。

责任编辑郑占怡