自制摩擦力探究实验装置

陈海兰 冯 霞

(安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241000)

自制摩擦力探究实验装置

陈海兰 冯 霞

(安徽师范大学物理与电子信息学院,安徽 芜湖 241000)

高中物理教学中,摩擦力是一节重要的科学性探究实验课．由于摩擦力大小和方向问题的复杂性,诸多教学难点难以突破．常规摩擦力探究实验中物块都是放置在水平面上,易使学生将产生摩擦力的正压力与重力混淆．本文针对这一问题对摩擦力探究实验进行创新,通过自制实验装置将物块竖直方向放置,使重力不再是产生摩擦力的正压力,从而帮助学生对摩擦力概念、产生条件和特点建立更加清晰的认识．

摩擦力;自制;探究实验装置

1 常规摩擦力探究实验装置

1.1 传统摩擦力实验装置

图1 传统实验

如图1所示(人教版、沪科版、粤教版教科书摩擦力演示实验),用弹簧测力计沿水平方向拉物块．拉力F增大到一定值前,物块不运动．读出静摩擦力范围是0

1.2 改进摩擦力实验装置

图2 第1类实验改进图

针对传统摩擦力实验过程中难以操控物块和测量误差大等问题,一些同仁对此作出了两类改进．第1类改进实验设计如图2所示(鲁科版教科书滑动摩擦力探究实验装置)．

图3 第2类实验改进图

弹簧测力计一端固定,另一端连接物块,水平拉动物块下方的长木板．第2类改进实验设计如图3所示．在第1类改进实验的基础上,用一个定滑轮将原本水平放置的弹簧测力计竖直悬挂．[1]第1类改进化动为静,把要求拉物块匀速直线运动转化成拉木板运动,此时物块相对弹簧测力计静止,读数更准确．但弹簧测力计水平放置违背弹簧测力计的设计原理,在调零和读数上会带来不可忽视的误差．第2类改进实验引入滑轮将弹簧测力计竖直放置,又引入滑轮产生新的系统误差,且这些实验都在水平方向进行,重力一直都是学生在认识摩擦力时形成迷思概念的一个重要因素．

2 自制摩擦力探究实验装置

2.1 实验装置的主要结构

实验设计如图4所示,左边是玻璃自制主体架(竖直放置的长方体)．前后两面粘贴玻璃条,制成等间距玻璃滑槽,两相同待测材料板插入滑槽内(两材料板之间距离可调,俯视图见图5),待测材料之间放置泡沫板自制长方体物块M(物块各面可粘贴不同待测材料),实验过程中长方体物块和待测材料紧密接触．[2]最右端插入一挡板,挡板中心固定一刚性好且恰好自然伸长的弹簧．挡板每向左移动一格,弹簧伸长量发生相应变化,弹簧产生的弹力大小用刻度板标在弹簧后面的玻璃板上．玻璃装置正上方悬挂一定滑轮,弹簧测力计下端细线与长方体物块相连,上端细线跨过定滑轮与装置右端水平地面上固定的定滑轮相连,在滑轮上连接一个手柄,通过匀速转动手柄,滑轮将绳子卷起来拉动物块匀速上升．

图4 实验装置图

图5 装置俯视图

2.2 自制实验装置在实际教学中的探究过程

(1) 将物块M放入装置中,选择合适的插槽插入两待测材料板,使物块与两材料板没有挤压,用细线连接弹簧测力计和物块,读出物块所受重力G．

(2) 将带弹簧的挡板内推一格,缓慢摇动手柄,弹簧测力计示数逐渐增大(大于重力),增大到某一个值时物块突然开始滑动,记录这一值．说明物块受静摩擦力,静摩擦力随拉力增大而增大,且静摩擦力有范围0

(3) 保持挡板和右材料板位置不变(正压力不变),改变物块放置方向(物块与材料板的接触面积改变),适当调节左材料板的位置．缓慢摇动手柄,探究滑动摩擦力与接触面积大小是否有关．

(4) 保持物块放置方向不变(接触面积不变),依次内推挡板(正压力从0开始均匀变化),缓慢摇动手柄,探究滑动摩擦力和正压力的关系．

(5) 在物块两侧贴上不同粗糙程度的材料,探究滑动摩擦力和接触面粗糙程度的关系．

(6) 改变摇动手柄的速度,探究滑动摩擦力与物体的相对运动速度是否有关．

3 自制实验装置和常规实验装置比较

表1 常规实验装置与自制实验装置比较

本实验装置具备常规摩擦力探究实验的功能,可操作性更强．让物块在竖直方向运动这一新思想的运用,巧妙地使重力不再是产生摩擦力的正压力,消除学生认为物体越重所受摩擦力越大的认识误区，为学生清晰地认识摩擦力提供了很好的思路．

1 李参军,黄平安. 对探究影响摩擦力大小因素实验的分析及改进[J]. 物理实验,2014,21(11):17-18.

2 陈芳,徐庆,拾景忠. 静摩擦力实验探究[J]. 物理实验,2016,4(12):39-41.

3 刘晓溅. 自制“摩擦力演示仪” 轻松化解教学难题[J]. 物理教师,2013,15(08):45-47.

4 李燕妙,吴先球. 多功能摩擦力演示仪[J]. 物理实验,2015,12(08):18-20.

5 章强,庞惠华. “摩擦力”实验设计的改进[J]. 物理教师,2012,32(11):39-42.

2017-04-12)