改进“探究摩擦力与压力大小关系”的实验方案

张安　陈新光

摘 要：摩擦力是中学生难以掌握的知识点之一。在教师引导下，学生自主完成摩擦力的探究实验是掌握该规律的重要途径之一。本文针对教材中实验方案设计和传统数据分析过程的不足，提出了一种实验的改进方案，使之能在克服教材提供方案不足的同时，易于开展学生分组实验，使数据分析更加科学，也能实现学生自主、合作、探究的学习方式，还提高了学生的信息处理能力。

关键词：摩擦力；实验方案；自主探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）4-0075-3

摩擦力是高中物理教学的重点和难点之一。滑动摩擦力与压力大小存在什么关系，许多教材采用教师演示实验方式引导学生来探究，并未安排学生通过分组实验来进行自主探究，往往造成学生被动接受实验结论，缺乏个人的实践探究体验。高中物理必修1（人教版）教材对该演示实验采用的是利用弹簧测力计直接拉动木块来研究摩擦力的变化情况，虽然方法简单，易于操作。但是，实验中用手拉动弹簧测力计，很难保证木块做匀速直线运动，而且在运动过程中不易准确读数，学生对实验得出的结论也不太信服，教学效果较差。而高中物理1（司南版）教材虽然对该实验进行了一些改进（装置见图1），固定弹簧测力计和木块保持不动，拖动与之接触的长木板。该改进方案仍然存在两个方面的问题：①在拖动长木板过程中，水平拉伸的弹簧测力计由于自身重力作用而下垂，使得弹簧测力计上的拉杆或指针极易碰到弹簧秤的外壳，摩擦阻力容易导致弹力的测量误差；②在接触面不太平整的情况下，拉动木板时，弹簧会出现伸缩性变化，示数也会随之变化，读数也不太准确。

针对教材中设计方案的不足，有部分作者采用了繁琐的改进方案[1，2]，或者借助力传感器来取代传统的弹簧秤[3，4，5]，但那些繁琐的方案和昂贵的DIS实验设备，反而会因麻烦和无法配置让教师最终放弃实验。也因如此，大多数教师只能停留于利用图1装置进行简单演示实验。与此同时，教材中采用人工手动作图的传统数据处理方法，许多教师往往交代了“在实验误差允许范围内”便得到实验正确结论。这种分析方法难以使人信服。鉴于以上问题的考虑，笔者对如图1装（司南版）实验装置进行一些简单改进，并采用计算机软件处理实验数据。该方案既克服原有方案的不足，也易于开展学生分组实验，实现学生的主动参与，自主探究，其数据分析过程也容易理解，令人信服，能促进教学目标的达成。

1 实验方法

1.1 实验仪器

弹簧测力计1只、带有细线的小滑块1块、长约1 m的表面粗糙程度均匀的长木板1块，装有2个横杆的铁架台1个，50 g砝码若干，计算机1台。

1.2 实验原理

1.2.1 教材中的实验方案

在《摩擦力》一节中，高中物理1（司南版）第71页的“实验与探究”介绍如下：弹簧测力计一端固定于P点，自由端系一细线与滑块A水平连接。拉动长木板B，测力计读数T等于A、B间的滑动摩擦力f，如图1所示。

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图1 物理必修1（司南版）中测量

滑动摩擦力大小的实验原理图

利用该方案进行实验探究，虽然仪器简单，但实际操作过程中，弹簧测力计指针抖动严重；并且由于它自身重力作用，无法使细线处于水平状态；而且测力计的指针或拉杆极易碰到外壳，引入不必要的实验误差。鉴于此，本文提出了一种实验改进方案，希望可以克服这些不足。

1.2.2 改进的实验方案

实验装置如图2所示。整个装置放于水平桌面上，将弹簧测力计竖直悬挂于铁架台的上横杆上，自由端系一细线绕过光滑横杆与滑块A水平连接。调整光滑横杆的高度使得细线与长木板平行，保证滑块受到水平拉力作用。将细线的另一端挂在测力计上，调整测力计的位置，使得细线处于竖直状态，保证测力计受到竖直向下拉力的作用。沿图示v方向拖动长木板B，则测力计的读数T等于A、B间的滑动摩擦力大小。

该实验方案引入铁架台，将弹簧测力计竖直悬挂，很好地克服了教材中设计方案由于测力计自重下垂而引起的实验误差。铁架台的下横杆是光滑横杆，该处摩擦力较小，可忽略不计。

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图2 测量滑动摩擦力大小的改进方案图

1.3 实验过程

（1）在安装实验装置之前，先用弹簧测力计称出滑块A的重力，并记录数据于表1。

（2）按图示要求连接装置，调节测力计，使其处于竖直状态，刻度盘面对操作者，且调整零刻度。

（3）将系有细线的滑块A放于长木板B上，细线另一端绕过铁架台的光滑横杆与测力计的自由端相连，且调整该横杆的高度，使得细线与长木板平行。

（4）重新调整测力计位置，确保它受到竖直向下的拉力作用。

（5）沿图示v方向拖动长木板B，待测力计指针稳定后，读取测力计读数并记录数据。

（6）按照表格1设计的情况分别往滑块A上增加2个、4个和6个50 g的砝码，重复实验步骤（5）的操作。

（7）数据处理。

可以按照教材中提供的实验数据处理方法。但笔者建议该步骤可利用计算机Excel软件进行数据处理，包括数据记录、描点、画曲线图以及得到拟合曲线，并分析拟合曲线，得到滑动摩擦力大小与正压力之间的关系。

（8）实验完成，学生整理仪器。

2 实验结果与讨论

笔者利用本校现有的实验器材，本节课内容根据本文提供的改进方案，开展学生分组实验教学，实验数据采用Excel软件处理，效果良好。其中一组学生数据如图3所示。

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图3 滑动摩擦力大小与正压力关系的拟合曲线图

由图3可以明显看到，f与正压力N明显成线性关系（R2=0.9999），实验数据处理方便，结果明显。图中拟合曲线y=0.2173x+0.0028即f=0.2173N+0.0028。我们可以用一个参数代替斜率，即令μ=0.2173，同时令C=0.0028，则公式可改写成f=μN+C。

对于C值的解释：得到任何一个物理实验规律都必须经过无数次精确测量。经科学家们的无数次精确测量，发现C值无限趋近于0，即在理想情况下，f与N成正比关系。另外，从摩擦力产生的条件来看，其中之一就是要有压力的产生。若无压力即N=0时，则也没有摩擦力，即f=0，故C=0。由此可以得到滑动摩擦力大小与正压力之间的关系f=μN。

在传统教材中，针对该节内容的实验数据分析，往往是得到数据后，通过手工描点、画图，得到一条直线，就说明在误差允许范围内f与N成正比关系。笔者认为，通过实验数据得到拟合函数，进而引导学生分析，得到滑动摩擦力的公式比传统分析方法更加具有说服力，同时也培养学生能够利用已学过的知识来分析、解决物理问题的能力。

另外，对于引入的参数μ，引导学生观察表格数据和图像斜率，对比T/N的比值与斜率的大小关系。通过对比不难发现，在实验误差允许范围内，T/N的比值等于斜率大小。同时，再通过改变木块与长木板的接触材料，如：在木块底部贴上木料等，重复以上实验和数据处理，观察表格T/N的比值和图像斜率μ的变化，引导学生得到接触面的粗糙程度不同直接引起斜率μ值不同的结论，并且接触面越粗糙，斜率μ值越大。在物理学中，我们将T/N的比值和斜率μ定义为动摩擦因数。从实验数据处理中，引导学生学会分析f-N图像，并理解斜率的大小即为动摩擦因数。

4 结束语

本文提出的实验改进方案能够克服教材中所提供方案的不足之外，仪器准备简单，操作方便，便于学生分组实验，获得真实体验；实验数据分析更加科学，便于学生理解，教学效果更加理想。引入计算机软件开展实验数据处理，让学生接触一些现代化的科技手段，提高学生实验兴趣，培养学生运用现代科技的能力，也实现现代信息技术与物理课程的整合。

另外，本改进方案需要说明的是：

1）实验装置中的铁架台光滑横杆可以用定滑轮替代；

2）该方案操作过程较多，建议两个或两个以上学生配合完成，同时要求拖动木板的学生为了合理有效地利用木板长度，该同学不宜过快拖动；

3）利用该方案完成学生分组实验时，必须跟学生分析清楚摩擦力的方向问题；

4）利用计算机Excel软件或者Origin软件进行数据处理，对授课教师提出更高的要求。

参考文献：

[1]王文祥，王硕军，弭宝国. 对摩擦力演示实验的改进[J]. 教学与管理，2011，（18）：139.

[2]曹开铮.“探究影响摩擦力因素实验”的改进方案[J].物理教学探讨， 2009，（3）：61.

[3]章强，庞惠华.“摩擦力”实验设计的改进[J].物理教师，2012，（11）：39.

[4]赵燕君.用DIS进行滑动摩擦力实验演示[J].物理教学，2010，（7）：27.

[5]邹方云.用力学传感器对摩擦力进行的实验研究[J].教学仪器与实验， 2007，（01）：15.

（栏目编辑 邓 磊）