测动摩擦因数的实验命题设计研究

郑行军

(福建省福鼎市第一中学,福建 福鼎 355200)

·试题研究·

测动摩擦因数的实验命题设计研究

本文系福建省教育科学“十三五”规划课题“互联网+物理习题的教学设想与实践探究”(批准号:FJKYJD16-29)的成果之一.

郑行军

(福建省福鼎市第一中学,福建 福鼎 355200)

测量动摩擦因数的实验是近几年高考的热点之一,对学生的综合学习能力有较高的要求.本文通过对测量方法进行总结和归类,建构系统的实验解决方案,提高学生的知识迁移和应用能力.

动摩擦因数;力平衡法;动力学关系;动能定理;功能关系

在近几年的高考中,测量动摩擦因数的创新实验逐渐增多,已成为高考中新的热点之一,此探究实验注重对实验原理和实验测量方法的考查与应用,内容不拘泥于教材和考纲,考查学生的实验探究和创新思维能力[1].本文通过对各种实验方案进行总结和分析,系统地构建实验考查的知识体系,为解决实验问题提供理论依据.

1 利用力平衡法测量动摩擦因数

例1：某同学在探究静摩擦力变化规律及滑动摩擦力变化规律的实验中,设计了如图1甲所示的实验装置,力传感器A与计算机连接,可获得力随时间变化的规律,将力传感器固定在水平桌面上,测力端通过细绳与一滑块B相连(调节传感器高度可使细绳水平),滑块放在较长的小车上,小车一端连接一根轻绳并跨过定滑轮系一只空沙桶(调节滑轮可使桌面上部细绳水平),整个装置处于静止状态.实验开始时打开传感器,同时缓慢向沙桶里倒入沙子,若力传感器采集的图像如图1乙所示,由图像可知,滑块B与小车间的静摩擦力最大值为________N,已知滑块B重10.0N,滑块B与小车间的动摩擦因素μ= .

图1

解析:在整个过程中,滑块B受到水平向右的摩擦力f与水平向左的传感器的拉力F,滑块始终静止,处于平衡状态,则f=F;缓慢向沙桶里倒入沙子,当小车由静止刚好开始运动时,滑块与小车间的静摩擦力达最大值,由图1乙可知,滑块与小车间的最大静摩擦力fmax=F=3.5N;当小车运动时,滑块与小车间的摩擦力是滑动摩擦力,由图乙可知,f=F″=3N,由f=μG，得滑块B与小车间的动摩擦因素μ=0.3.

2 利用牛顿运动定律测量动摩擦因数

例2：为测定小物块P与圆形转台B之间的动摩擦因数(设滑动摩擦力与最大静摩擦力相等),某同学设计了如图2所示的实验,并进行如下操作:

A. 用天平测得小物块P的质量m;

B. 测出遮光片外边沿到圆心的距离为R+L;

C. 将小物块P放在水平转台上,并让电动机带动转台匀速转动,调节光电门的位置,使固定在转台边缘的遮光片远离转轴的一端恰好能扫过光电门的激光束;

D. 转动稳定后,从与光电门连接的计时器读出遮光片每次经过光电门的时间,并可以计算出遮光片外边沿的速率为v.

E. 不断调整小物块与转台中心的距离,当距离为r时,小物块随转台匀速转动时恰好不会被甩出．

已知当地重力加速度为g,那么,转台旋转的角速度ω=________,小物块与转台间的动摩擦因数μ=________,实验中不必要的步骤是________(填步骤序号).

图2

3 利用动力学关系测量动摩擦因数

例3：为了测量某材质的木块与牛皮纸之间的动摩擦因数,一位同学设计了如图3的实验，在斜面和水平面上贴上待测牛皮纸,保证木块放在斜面顶端时能加速下滑,斜面与水平面间平滑连接，已知斜面倾角为θ.让木块从斜面顶端由静止开始下滑,该同学只用一只秒表就完成了测量任务.

(1) 该同学需要测量的物理量是________;

(2) 动摩擦因数的表达μ=.

图3

4 利用动能定理测量动摩擦因数

例4：某兴趣小组要测量木块与较粗糙木板之间的动摩擦因数,他们先将粗糙木板水平固定,再用另一较光滑的板做成斜面,倾斜板与水平板间由一小段光滑曲面连接,保证木块在两板间通过时速度大小不变.

(1) 使木块从相对水平木板高h处由静止滑下,并在水平板上滑行一段距离x后停止运动,改变h大小,进行多次实验,若忽略木块与倾斜板间的摩擦,以x为横坐标、h为纵坐标,从理论上得到的图像应为________;

图4

(2) 如果考虑木块与倾斜板之间的摩擦,在改变h时,他们采取的办法是:每次改变倾斜板的倾角,让木块每次由静止开始下滑的位置在同一条竖直线上,且测出该竖直线与两板连接处的水平距离为L,如图4甲所示.将每次实验得到的h、x相关数据绘制出的h-x图像如图4乙所示,图线的延长线与两坐标轴的交点坐标分别为(-a,0)和(0,b),则木块与倾斜板间的动摩擦因数μ1=________,木块与水平板间的动摩擦因数μ2=.

5 利用功能关系测量动摩擦因数

图5

例5：某小组利用图5所示实验装置来测量物块A和长木板之间的动摩擦因数μ.

① 把左端带有挡板的足够长的长木板固定在水平桌面上,物块A置于挡板处,不可伸长的轻绳一端水平连接物块A,另一端跨过轻质定滑轮挂上与物块A质量相同的物块B.并用手按住物块A,使A、B保持静止.

② 测量物块B离水平地面的高度为h.

③ 释放物块A,待物块A静止时测量其运动的总距离为s(物块B落地后不反弹).

回答下列问题:

(1) 根据上述测量的物理量可知μ=.

(2) 如果空气阻力不可忽略,该实验所求μ值.(填“偏大”或“偏小”)

(2) 当空气阻力不可忽略时,会产生热量,会使B物体落地瞬间时,A或B的动能减小;使B落地后,A做匀减速运动,A的位移为(s-h)变小,所以会使μ偏大．

从以上实验题可以看出,在分析“测量动摩擦因数”实验中,应注意捕捉题目中提供的诸多有价值的隐含性信息[2],判断出命题者想要考查的知识点和意图,才能顺利解决问题.在具体分析过程中一般要关注:(1)一些新颖的实验题为我们提供的新知识和情境.(2)通过解读表格,了解实验测量的物理量,根据表格中的数据,判断相关物理量之间的关系,如正比例关系、反比例关系、平方或开方关系、倒数关系等[3].(3)通过分析图像，明确图像的物理意义,找出物理量之间的函数关系,从而利用图像中的相关数据(如斜率和截距)解决实验问题.

[1] 顾爱芬.对高中物理教材必修1《摩擦力》一节编排的一点建议[J].物理教学探讨,2016,34(2):76-77.

[2] 钮瑛.利用模型法测定动摩擦因数的几种方法[J].物理教师,2012,33(10):69-72.

[3] 孟蓝宏.动摩擦因数的常见测定方法[J].物理教学探讨,2009,27(1):57-58.