对摩擦力演示实验的改进

　　一、传统实验方法存在的不足
　　传统的摩擦力演示实验，都是用弹簧秤拉着一个木块在一“水平面”上运动，通过增加压力、更换“水平面”来研究与摩擦力有关的因素。这种方法存在着如下不足：一是弹簧秤位于水平面上，只有前排少数学生能看到，可见度差；二是弹簧秤是运动的，学生不容易看清其读数；三是人拉动弹簧秤时很难保证真正“匀速”运动，这样就会使木块的速度忽大忽小，致使木块的加速度a不等于零，根据牛顿第二定律F拉-f=ma，此时木块受到的摩擦力和拉力就不再是一对平衡力（即摩擦力f不等于拉力F拉，而弹簧秤的示数等于F拉），在实验中的表现就是弹簧秤指针不停地跳动，并不能稳定地指在某一刻度处，这进一步增加了学生读数的困难。
　　二、原因分析
　　笔者通过认真分析发现，该实验效果不好的原因在于“弹簧秤水平放置；弹簧秤和木块是运动的，且不能保证运动的匀速性”，造成学生看不到指针，少数学生围拢过来后，看到的弹簧秤是运动的，并且指针也不稳定，造成读数困难。假如把弹簧秤固定下来，并且面向学生，学生读数就方便了；假如把移动“木块”改为移动“水平面”，那么只要“木块”和“水平面”有相对运动（或相对运动趋势），当“木块”静止时，它受到的摩擦力f和弹簧秤的拉力F拉就是一对平衡力，即弹簧秤的拉力永远等于“木块”受到的摩擦力，而与“水平面”的运动是否“匀速”无关，弹簧秤的指针也能稳定地指在某一刻度处而不再跳动。
　　基于上述分析，笔者对实验进行了改进，制作了摩擦力演示仪，有效地克服了上述缺点，取得了很好的实验效果。
　　三、仪器的制作
　　本仪器的主体结构就是一个竖起来的弹簧秤，如图1所示。
+EelHPR325tD9A8awockwg==　　1.制作思路
　　把一个弹簧秤固定在一个支架上，用定滑轮改变力的方向，实验时拉动长木板，使木块和木板之间产生相对运动或相对运动趋势，用细线拉动弹簧秤挂钩，使弹簧秤产生读数。
　　2.所需器材
　　（1）光滑长方形木板：60cm×20cm×1cm的木板一块（标记为A，用作底座），36cm×9cm×1cm的木板一块（标记为B，用作支架的前面），36cm×3.5cm×1cm的木板两块（标记为C、D，用作支架的两侧），39cm×9cm×1cm的木板一块（标记为E，用作支架的后面），40cm×2.5cm×1cm的木条两根（标记为F、G，用作底板上的限位条），120cm×10cm×2cm的木板一块（标记为H，用作摩擦面）。
　　（2）羊眼圈一个。
　　（3）量程为5牛顿的弹簧秤一支。
　　（4）轻质滑轮两个，轴两个。
　　（5）粗糙程度不同的布料两条，1号砂布三张。
　　（6）10cm×8cm×4cm的木块一个；细线若干；青霉素小药瓶中的橡皮帽四个。
　　3.制作方法
　　（1）制作支架。首先，把B平放于操作台上，把C、D立于B之上，一端对齐，用钉子固定；再把E放于C、D之上，用钉子固定，形成没有上下底的方形盒子，用做弹簧秤支架。如图2-a、2-b所示。其次，用A4纸打印弹簧秤刻度，贴于前面板正中位置。第三，在支架前面板的顶端中线上固定一个羊眼圈，用来悬挂弹簧。
　　（2）组装底座。首先把上述“弹簧秤支架”用铁钉竖直固定于木板A的一端，使作为摩擦面的长木板H正好能在底座A的中间左右抽动。支架的总厚度正好使其前面板落在长木板H的中线上。如图1-b所示。为增加其稳定性，可在支架背后与A联接处固定一木块。其次，在底座A上固定限位木条F、G，形成一个滑槽。第三，把四个小橡皮塞固定于底板A下面的四个角处，作为支脚。
　　（3）安装弹簧。取下成品弹簧秤的弹簧、挂钩及指针，挂在顶端的羊眼圈上。
　　（4）安装定滑轮A、B。把作为摩擦面的木板H置于滑槽中，把木块平放在H上，在拉环上拴好细线并拉紧。定滑轮A的位置，应该正好使拉动木块的细线处于水平位置，拉弹簧的细线处于竖直位置。把木块竖起来放置，定滑轮B的位置，仿照定滑轮A安装。如图1-a。
　　至此，整个仪器制作完毕。
　　四、实验方法
　　实验1、研究滑动摩擦力与接触面积大小的关系
　　把木块水平放置在摩擦面H上，细线跨过定滑轮A，拉动木板H，待木块静止后，读取弹簧秤读数；把滑块侧放在摩擦面H上，细线跨过定滑轮B，再次读取读数，比较可知，两次读数相同。
　　实验2、研究滑动摩擦力与正压力的关系
　　把木块水平放置在木板H上，细线跨过定滑轮A，拉动木板H，待木块静止后，读取弹簧秤读数；在滑块上放置不同质量的砝码，再次实验，分别读取弹簧秤读数。比较各次读数和压力的关系，即可得出摩擦力与正压力成正比。
　　实验3、研究滑动摩擦力与接触面粗糙程度的关系
　　在木板上分别固定薄布、绒布、砂纸，把滑块水平放置在木板上，拉动木板，待木块静止后，分别读取弹簧秤读数。比较三次读数，即可得出摩擦力大小与接触面粗糙程度的关系。
　　实验4、研究静摩擦力的大小和方向、静摩擦力存在最大值
　　把木块置于木板上，缓慢拉动木板，使木板和木块间有相对运动的趋势，并保持木块和木板间相对静止，观察弹簧秤读数；逐渐加大拉力，保持木块和木板间的相对静止，再次读取弹簧秤读数，直至达到最大静摩擦力。由于在这期间木块总是处于平衡状态，且水平方向只受到拉力和静摩擦力的作用，所以很容易地就能突破“在达到最大静摩擦力之前，静摩擦力的大小总是和外力的大小相等（随外力的变化而变化），其方向总是和相对运动的趋势方向相反”这一力学中的难点。
　　进一步增大拉力，在达到最大静摩擦力之后，木块和木板间开始出现相对滑动，说明静摩擦力存在一个最大值。
　　五、说明
　　当木块和木板之间出现相对滑动后，弹簧秤读数与拉动木板的速度大小无关，但不能太慢。不能出现最大静摩擦和滑动摩擦之间变换的情况。
　　参考文献
　　[1] 物理通报杂志社.九年义务教育三年制初级中学教科书物理（第一册）.北京：北京教育出版社，2001.
　　[2] 人民教育出版社物理室.九年义务教育三年制初级中学教科书物理（第一册）.北京：人民教育出版社，1993.
　　[3] 人民教育出版社物理室.中等师范学校教科书（试用本）物理学第一册.北京：人民教育出版社，1995.
　　（责任编辑刘永庆）