“研究影响滑动摩擦力大小的因素”实验改进

2022-01-12安徽省太和县第三中学236600刘启立

中小学实验与装备 2021年6期

安徽省太和县第三中学(236600) 刘启立

“研究影响滑动摩擦力大小的因素”的实验是初中物理的一个基础实验，通过该实验，可以使学生对两个物体之间的滑动摩擦力与它们之间的正压力以及两个物体接触面粗糙程度之间的定性关系有一个直观的了解和认识。笔者发现，不同版本的初中物理教科书设置的“研究影响滑动摩擦力大小的因素”的实验，尽管实验细节略有不同，但基本方法是一样的，具体实验方法如图1所示：

图1 初中物理教科书上的实验方法示意图

(1)用弹簧测力计匀速拉动木块，使它沿水平长木板滑动，运用二力平衡知识测出木块与长木板之间的滑动摩擦力。

(2)改变放在木块上的砝码，从而改变木块对长木板的压力，测出压力改变之后木块所受的滑动摩擦力。

(3)换用材料相同但表面粗糙的长木板，保持木块上的砝码不变，测出此种情况下的滑动摩擦力。

根据实验数据，即可总结滑动摩擦力与两个物体接触面的粗糙程度及它们之间压力大小的定性关系。

1 教材中原实验的缺陷和不足

在实际实验教学中，可以发现教科书设置的实验中存在以下不足：

(1)实验时，用手直接拉弹簧测力计让木块滑动，虽操作简单，但木块在木板上滑动时，很难保持匀速直线运动，因此，拉动木块的过程中，大多可以明显观察到到运动中的弹簧测力计指针所对的示数无法保持恒定，这会导致读取的实验数据偏差过大。

(2)实验中改变接触面间的压力是通过增减钩码数量来实现的。尽管这种操作方式方法简单，但是，对于刚学习物理不久的初中学生来说，认识事物还很感性，他们大多会认为不断增减钩码数量就是在改变物体的质量或者重力。于是就出现了实验结束归纳总结实验结论时，尽管教师不断引导是压力影响了滑动摩擦力大小，但还是有相当一部分学生错误地认为是质量或重力影响了两个物体之间的滑动摩擦力。从多次测试学生回答影响滑动摩擦力大小因素时，学生的答案中即可看出这一点。笔者认为可以通过改进实验的方法来改变接触面间的压力，能让学生更容易得出压力是影响滑动摩擦力大小的因素。

考虑到实验设计的科学性及实验操作的可行性，笔者对教材中的实验改进如下。

2 实验改进

2.1 实验器材

弹簧测力计、细线、磁铁(2块)、毛巾、棉布、带有定滑轮的长木板。

2.2 针对第(1)点不足，改进的实验方案

如图2所示，将弹簧测力计悬吊起来，把平放于毛巾上的磁铁一端用细线通过定滑轮与弹簧测力计相连，缓慢拉动毛巾，这时磁铁块受拉力和毛巾对它的滑动摩擦力而平衡。操作过程中发现磁铁块相对木板保持静止，弹簧测力计指针稳定不动，所以读取数据非常准确。另外，这样的实验设计，将弹簧测力计沿竖直方向悬吊，可以很好地把弹簧测力计自身重力对实验的影响平衡掉，实验效果非常好。

2.3 针对第(2)点不足，改进的实验方案

2.3.1 方案1

如图2(a)所示，缓慢拉动毛巾，读出此时弹簧测力计的示数，测出磁铁块所受毛巾滑动摩擦力大小。

如图2(b)所示，在长木板的下方放置另一磁铁块，使此磁铁块和毛巾上的磁铁块的异名磁极正对，两磁铁彼此吸引，然后缓慢拉动毛巾(实验操作中可以发现，拉动毛巾时，两磁铁块是相对静止不动的)，读取弹簧测力计的示数，测出此时磁铁块所受滑动摩擦力。

实验发现，采用图2(b)所示的方式进行改变磁铁与毛巾间的压力实验，滑动摩擦力变化非常明显。利用磁极间相互作用规律(异名磁极相互吸引)来增大磁铁与毛巾接触面间的压力，通过这种方式改变接触面间的压力，学生可以清楚看到实验操作中并没有改变磁铁的质量或者重力，更有利于学生得出压力是影响滑动摩擦力的因素这一正确结论。

图2 方案1装置

为了得到更具一般性的结论，需要不断改变压力大小。为此，可以选择几个磁性强弱不同的磁铁先后分别放在图2(b)所示的木板下方正对上面磁铁的位置(异名磁极相对放置)，再匀速拉动毛巾，读取测力计的读数，测量磁铁与毛巾之间的滑动摩擦力。当然，为了让学生直观的感受到压力的变化，可以在每次更换磁铁之前，用弹簧测力计将木板上方的磁铁缓慢吊起，测量出最大拉力(亦即磁铁与毛巾之间的正压力——该压力大于上面磁铁的重力)。

2.3.2 方案2

如图3所示，木块与毛巾之间的摩擦力的测量依然用上述改进方法来进行——用悬吊起来的弹簧测力计并结合固定于木板上的定滑轮来进行测量。木块与毛巾之间的压力大小可以通过下面的方法进行：细线的一端栓在木块上，绕过上面悬挂的定滑轮之后，在细线另一端悬挂钩码，通过改变钩码的个数来改变细线对木块的拉力，从而改变木块与毛巾之间压力的大小，压力改变之后，用手拉动毛巾，观察并记录弹簧测力计的读数(亦即木块与毛巾之间的滑动摩擦力)。