从近三年江苏高考实验题看摩擦力影响的消除①

徐 超 盛云生

(1. 江苏省南京市雨花台中学，江苏 南京 210012；2. 江苏省南京市雨花台区教育局，江苏 南京 210012)

近三年江苏高考力学实验题都考查了消除摩擦力的影响，教师在平时实验教学中多次涉及，但仍有许多学生不能正确掌握，本文系统梳理这一问题。

1 为什么需要消除摩擦力的影响

1.1 物理思想的体现

回顾经典力学发展历程，最早是伽利略研究自由落体运动时，观察到阻力对运动的影响很大，在忽略阻力影响的情况下，重的物体和轻的物体下落得一样快，第一次将阻力对运动规律的影响展现在物理学研究中。接着，伽利略又通过理想斜面实验，运用逻辑推理得出结论：如没有摩擦力的作用，物体将一直运动下去，为牛顿第一定律的建立奠定了基础。物理学的研究就是在抓住事物的主要矛盾、忽略次要矛盾中总结出来的，减小阻力的影响更容易抓住运动的本质。

1.2 实验简化的需要

2 怎样消除摩擦力的影响

在中学物理实验中主要从三个方面消除摩擦力的影响：消除摩擦力存在的条件、利用物体所受重力的分力平衡摩擦力和利用外加小物体的重力平衡摩擦力，下面结合高考题来进行分析。

2.1 利用物体所受重力的分力平衡滑动摩擦力

在倾斜的轨道上物体所受的重力有沿斜面向下的分力，调节斜面，当倾角合适时沿斜面向下的分力等于摩擦力，mgsinθ=μmgcosθ，实验中我们可以将没有滑轮的一端垫高来实现这一要求。

例1(2017年江苏高考):利用如图1所示的实验装置探究恒力做功与物体动能变化的关系，小车的质量为M=200.0g，钩码的质量为m=10.0g，打点计时器的电源为50Hz的交流电。

图1

(1) 挂钩码前，为了消除摩擦力的影响，应调节木板右侧的高度，直至向左轻推小车观察到。

本题所考查的消除摩擦力影响的方法与学生平时实验的方法一致，所以学生很快会得出正确结论。

2.2 利用外加物体的重力平衡摩擦力

可以根据需要加入适量砂子等，使其重力与滑动摩擦力大小相等，这样就可以起到平衡摩擦力的作用。

例2(2019年江苏高考):某兴趣小组用如图2所示的装置验证动能定理。

从表1和表2的均方根误差可以看出，总体上颗粒物浓度存在系统性偏高,但预报浓度变化趋势与监测存在相关性。

图2

保持长木板水平，将纸带固定在小车后端，纸带穿过打点计时器的限位孔。实验中，为消除摩擦力的影响，在砝码盘中慢慢加入沙子，直到小车开始运动。同学甲认为此时摩擦力的影响已消除。同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动。看法正确的同学是(选填“甲”或“乙”)。

本题考查两种不同平衡摩擦的观点，有一定的迷惑性。两个同学都在平衡摩擦力，很多考生难以做出判断，其实甲同学平衡的是最大静摩擦力，乙同学平衡的是滑动摩擦力，本实验需要平衡滑动摩擦力，所以乙同学正确。相比而言，对于以下问题回答错误的同学就更多了。

例3(2018年江苏高考)：某同学利用如图3所示的实验装置来测量重力加速度g。细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤。实验操作如下：

图3

① 用米尺量出重锤1底端距地面的高度H；

② 在重锤1上加上质量为m的小钩码；

③ 左手将重锤2压在地面上，保持系统静止。释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落时间；

④ 重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t。

请回答问题：会引起实验误差。现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做?

滑轮的摩擦阻力很小，在中学物理实验中一般不予考虑，所以很多考生刚接触时完全不知道从何入手，仔细分析一下，可以看出：当重锤1下落、重锤2上升时阻力与运动方向相反，粘一点橡皮泥在重锤1的下面，可以用橡皮泥的重力消除摩擦力的影响。

2.3 利用气垫导轨减小摩擦力

气垫导轨是利用气流让滑块悬浮在空中，从而大大减小摩擦力，一般在中学实验中可以认为调节水平后的导轨与滑块之间不存在摩擦力。

例4：如图4所示是小明同学“探究加速度与力的关系”的实验装置，他在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块及遮光条都从位置A处由静止释放。

图4

气垫导轨和滑块可以最大程度减小摩擦力的影响，然而调节水平的要求较高，作为学生分组实验不多见，最常见的还是小车与轨道组合。

3 怎样验证消除摩擦力的效果

3.1 观察法

消除摩擦力影响之后，物体在运动方向所受合外力为零，所以轻推一下，物体即做匀速直线运动，在江苏高考物理中也是这么表述的。

如2019年江苏高考物理题的表述为：同学乙认为还应从盘中取出适量沙子，直至轻推小车观察到小车做匀速运动。甲同学利用砂子平衡的是最大静摩擦力，而最大静摩擦力大于滑动摩擦力，所以不能采用。

2018江苏高考题中提及：由于摩擦阻力的影响，会产生系统误差，可利用平衡摩擦阻力的方法，其方法为在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥的质量，轻拉重锤1时能观察到其匀速下落。

3.2 实验验证

图5

近三年江苏高考物理题中关于消除摩擦的影响验证，都是“观察到物体匀速运动”，这样真的可行吗？

笔者认为匀速运动和加速度较小的运动在短时间内，仅仅通过观察来区分很难实现，其实仅仅凭借观察很容易出现平衡摩擦不足或者平衡摩擦过度的问题，如图5所示，有这样三种可能，即刚好平衡摩擦力、平衡摩擦不足和平衡摩擦过度，而这仅仅凭借观察是很难区分出来的。所以，以上的表述很不严谨，我们完全可以在观察的基础上加一个步骤，即利用打点计时器与纸带验证物体运动是否做匀速直线运动。

是不是一定要平衡摩擦力？其实可以利用α-F图像计算出摩擦力的值，学生在理解合力之后再看这个实验时，完全可以让学生找出摩擦力的值，如图6所示，这个图线没有通过原点，究其原因是由摩擦力造成的，可以读出摩擦力的数值为0.5N。

图6

综上所述，消除摩擦力影响是实验简化的需要，更是物理知识的综合运用，通过探究消除摩擦力影响的措施，培养了学生的探究能力，训练了学生的科学思维，提升了他们的核心素养。