“称”出摩擦力的方向

徐忠岳

(舟山市东海中学,浙江舟山 316000)

实验是物理教学的灵魂,不过有些物理规律的教学往往被认为比较简单或认为“众所周知”而无需实验证明,摩擦力方向的教学就是其中之一.不少教师只是通过简单的实例分析就想当然地得出了摩擦力的方向:总是沿着接触面,且与物体相对运动或相对运动趋势的方向相反,比如置于水平面上的木块受到一个向右的水平拉力且保持静止,则静摩擦力的方向水平向左且大小与拉力相等.比较有心的教师则通过手心与桌面之间或手心与板刷之间的摩擦来感受摩擦力的方向.本人认为这些做法缺乏严谨,比如对于木块来说即使它受到的摩擦力并不沿着水平面也可以使木块保持静止;再如毛刷弯曲情况并不足以证明摩擦力的方向是沿着接触面的,因为一个并不沿着接触面的力也可以使毛刷达到相同的弯曲状态.下面介绍如何用桌秤来证明摩擦力的方向,本实验可以丰富学生对压力及摩擦力的感性认识,也有利于思辨能力的训练,同行们不妨一试!

图1

如图1所示,本实验采用的桌秤是钰恒电子(厦门)有限公司生产的型号为JWE-15K的计重桌秤,量程为15 kg,感量为0.5 g.把一个木块放在水平放置的桌秤上,读出桌秤的示数,然后用绳子斜向上和斜向下拉一下木块,发现桌秤的示数分别变小和变大.把绳子的另一端挂在定滑轮上,并在绳子上悬挂一个钩码,调节绳子的方向使之与桌秤面平行,接着继续往绳子上挂钩码,学生们会惊讶地发现:与接触面平行的力并不会改变木块对桌秤的压力大小.此时问学生:“这一现象能否证明静摩擦力的方向也是沿着接触面的?”.学生在好奇心的驱使下可得出这样的结论:随着钩码数的增多,木块所受的静摩擦力不断增大,但静摩擦力的增大并没有影响木块对桌秤的压力,所以静摩擦力的方向肯定是沿着接触面的,假如它不沿接触面则必然改变木块对台秤的压力.随后,继续增加钩码,直至木块滑动,可以看到在木块滑动时桌秤的示数依然不变,可见滑动摩擦力也是沿着接触面的.

如图2所示,可以用相同的方法证明当接触面倾斜时,摩擦力的方向也是沿着接触面的.

图2

注意,绳子方向是否与接触面平行是本实验成败的关键,为了提高演示效率,应事先标记好铁架台与桌秤之间的距离和铁夹的高度.连接木块与钩码的绳子要尽可能长,这样可以减小铁夹高度调节不当引起的误差.如果采用普通称量蔬菜水果的电子台秤(感量为5 g),那么对绳子方向的要求就可以降低,这样操作起来反而简便,且提高了实验成功率;不过由于精度不高,用这种台秤来测量安培力、研究压力与重量的关系等,效果就不太好了;如果需要更高精度的桌秤,可以选择JWE-3kg型桌秤,它的精度可达0.1 g,可与托盘天平媲美!

学习力的合成与分解后,学生还可以证明当绳子的拉力不沿接触面时,摩擦力的方向也是沿着接触的.桌秤还可以广泛用于辅助受力分析,比如用来研究力的合成与分解规律、重量与压力的关系、超重与失重、拱桥模型、称量安培力等.随着传感技术的成熟与普及,计重桌秤的性价比不断提高,是一个值得推广的现代化教具!