牛顿三定律与摩擦力教学的实验设计

刘增泽++冯杰

摘 要：摩擦力实验难观察，教师难直观演示，使摩擦力演示实验可视程度低。牛顿三定律可实现摩擦力实验的转换设计，从物理学发展来看牛顿三定律与摩擦力有着千丝万缕的联系，了解两者间的关系，有助于教师创新设计摩擦力实验。

关键词：摩擦力；牛顿三定律；实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）8-0061-3

摩擦力是中学力学所要学习的重要内容，在教学过程中需要通过实验去更加直观地让学生理解摩擦力的相关知识。但是，摩擦力实验又是十分不易观察与操作的，因此应当采用转换的思维去进行实验的设计。摩擦力实验该如何设计呢？从亚里士多德“力是维持物体运动的原因”的错误观点，到伽利略排除摩擦力干扰进行的理想斜面实验，直至牛顿归纳总结形成牛顿三定律的产生，摩擦力都穿插在其中。它既是人们认识力的障碍也是动力，因此牛顿三定律与摩擦力有着千丝万缕的联系。在实际教学中摩擦力实验设计与牛顿三定律更是相依相伴的关系。

1 摩擦力实验在教学中的困境

首先，从人们对摩擦力本质讨论的发展进程来看：摩擦力从人类文明建立就开始被人类认识，但却没有明确的描述，直至伽利略给出了力的概念，特别是伽利略理想斜面实验里面所排除的就是摩擦力的影响，从作用效果上去阐述的摩擦力；之后，15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩擦力本质的理论——凹凸啮合说；基于凹凸啮合说，英国学者德萨左利厄斯于1734年提出——粘附说[1]；到现在我们所采用的摩擦力概念，摩擦力本质在不断地研究和完善中。

其次，从现有摩擦力的定义分析，两个互相接触的物体且接触面存在弹力，当它们发生相对运动或有相对运动的趋势时，就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力[2]。也就是说摩擦力是两存在弹力的物体间，要想测量就好比测量物体内部的性质一样，直接观察这种力是非常困难的，直接在两物体间进行测量也是几乎不可能的。

最后，从摩擦力的分类上来看，其中中学的分类是：静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。静摩擦力，物体仅有运动趋势，如果产生这个运动趋势是一个隐力或者合力，不仅难测量大小，连方向都很难掌握；而滑动摩擦力方向与运动方向相反，大小则借助受力分析得出；滚动摩擦则更为复杂。那么，三者的测量实验实验设计是十分困难的。

2 摩擦力实验设计遵循的原则与思维方法

摩擦力实验的设计遵循实验的基本原则：科学性原则、精确性原则、探究性原则、安全性原则、简便性和直观性原则、趣味性原则等[3]。基于摩擦力本身不易测量的特征，实验特别需要遵循客观性原则，如果通过转化进行测量，需要明确讲解转化的过程，明确测量结果与实验探究之间的关系，从而使学生从本质上了解摩擦力的相关性质规律。

基于摩擦力本身的特点，主要可应用的思维方法：

转化法：将一个不容易测量的量转化为容易测量的量。

替代法：又叫等效法，用一个已知量替代被测量，调整此标准量，使整个系统恢复到测量前的状态，则被测量等于标准量。

控制变量法：多变量实验，控制部分变量进行研究[4]。

3 从牛顿三定律角度设计摩擦力实验

基于以上思维原则与方法，进行摩擦力实验便有了基本思路，如何具体应用则是在实际教学中的一个困扰师生的主要问题。下面将从牛顿三定律的角度去论述设计摩擦力的相关实验。

3.1 牛顿三定律与摩擦力实验缘起

牛顿第一定律：任何物體在不受任何外力的作用下，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止[5]。牛顿第一定律是整个牛顿三定律的基础，它给出了惯性的定义，同时给出了力的定义，因此所有的力学的内容都是基于此定律进行的。因此，摩擦力实验更是基于牛顿第一定律的基础之上进行的。

牛顿第二定律：物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。牛顿第二定律将力与运动联系在了一起，根据转换法，很容易通过F=ma将对力的测量转化为对运动的测量，从而实现了将一个不易测量的量转化为容易测量的量。

牛顿第三定律：当两个物体互相作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反[6]。摩擦力存在的条件就是基于两个物体的相互作用，因此牛顿第三定律就是基于两个物体相互作用的规律。也正是替代方法在摩擦力实验中的理论基础。

3.2 牛顿三定律在摩擦力实验设计过程中的应用

牛顿第一定律的重要意义已经阐述，下面具体实验设计过程将主要从牛顿第二定律与牛顿第三定律展开。以中学教学重点滑动摩擦力的相关实验进行阐述。

1.滑动摩擦力大小的测量实验

第一步：确定测量量——滑动摩擦力。

第二步：确定测量方法——间接测量。

可选择的测量方法一分析：可以根据受力分析，运用平衡力测量出与滑动摩擦力等大的平衡力，需要注意等大的平衡力时物体的运动状态是匀速直线运动或静止，那么需要创造匀速运动的状态，这种状态的创设是存在一定难度的。

可选择的测量方法二分析：根据牛顿第二定律进行转化，由于匀速运动的状态不容易创造，因此可以任意给物体一个比最大静摩擦力大的力，使之做匀变速直线运动，就可转化为测量物体运动的相关实验，这样的运动状态相对比较容易控制。

可选择的测量方法三分析：根据牛顿第三定律相互作用力进行等效替换，创造相对运动，测量静止物体所受摩擦力的大小。

第三步：确定实验仪器及方法。

实验方法一，可选用DIS滑动摩擦力测量组件，通过匀速电机牵引滑块创造匀速运动状态，拉力传感器直接将数据输入计算机系统。

实验方法二，根据牛顿第二定律F=ma，要测量物体运动的加速度，可直接通过光电门等一起直接测出，根据F=ma、△s=at2也可通过测量物体运动的位移与时间来确定。同样需要注意，还需要创造一个与接触面平行的合外力，最简单的利用自身重力的分量创造大于最大静摩擦力的力，使物体产生匀加速直线运动。因此，需要一个斜面（角度要适宜），一个滑块，一个计时仪器（如秒表或打点计时器等），一个测量长度的仪器（米尺或刻度尺等）。其次，还可以通过外加力法实现，则需要提供恒定大小的力，则可以试用竖直的勾码组通过细线经定滑轮转向提供水平力。其余就是测量仪器，时间测量仪器，长度测量仪器，弹簧测力计，如图1所示。endprint

实验方法三，根据牛顿第三定律完成替代，则需要两个滑块，一个弹簧测力计，勾码组合提供稳定迁移力。其余就是测量仪器，弹簧测力计，如图2所示。

通过上面的分析，可以发现实验仪器主要分为两大类：实验用具和测量仪器。那么，在测量滑动摩擦力这个实验设计中：

实验用具：滑块、细线、勾码、定滑轮、斜面等；

测量工具：光电门、拉力传感器、秒表、打点计时器、弹簧测力计、刻度尺等。

第四步：确定实验过程。以上三种方法都遵循以下过程：首先受力分析，如有恒定外力先测量恒定外力的大小，其次根据牛顿定律进行的思维方式选定的方法，对实验仪器进行操作，读出测量仪器的相关数据，直接得出摩擦力大小或将数据带入公式得出摩擦力的大小。

2.測量滑动摩擦因数大小

与第一个实验的设计过程基本一致，下面将主要分析如何从牛顿三定律角度设计解决滑动摩擦力不能直接测量的问题，从而进行思维的转化。

牛顿第一定律给出了实验的初态，不受外力时，物体保持静止或匀速直线运动。

牛顿第二定律，提供了转换法的一条思路——F=ma、△s=at2，通过测量位移和时间就可以得出合外力的大小，再通过测量和受力分析就可以得出摩擦力的大小。根据f=μN，改变滑块的载重就可以改变弹力N的大小，得出对应的滑动摩擦力的大小，计算得出摩擦因数。

牛顿第三定律，提供了替代法的一条思路——以静替代动，通过测量相对运动的静止滑块，测出摩擦力，依然根据f=μN，改变滑块A的载重就可以改变弹力N的大小，得出对应的滑动摩擦力的大小，计算得出摩擦因数。

3.探究影响滑动摩擦力大小的因素

这是一个学生探究实验，也是一个控制变量的实验，因此进行设计时要将实验形式尽可能总结全面，这样才能确定尽可能全面的实验仪器，以便于学生进行选择与设计。针对于这个实验，从牛顿三定律角度该如何去看待这个实验的设计过程呢？

牛顿第一定律同样是给出了实验的初态，不受外力时，物体保持静止或匀速直线运动。

牛顿第二定律同样将对力的测量转换到了运动的测量，这个实验重在探究关系，不需要准确的数据，因此根据F=ma、△s=at2可直接探究不同正压力、不同接触面粗糙程度下合外力与时间的关系，只需要保证滑块滑动的位移一致。便于测量，运动状态容易创造，数据稳定。

牛顿第三定律仍可以以静代动，原理同以上两个实验，使测量更加容易。

三个实验通过牛顿三定律进行思维转化便可以解决匀速状态不易获得，数据不能直接测量等问题。当然，将牛顿三定律结合在一起进行设计，测量数据更加准确简单。方式是将实验一第三种方法中外力F根据牛顿第二定律的设计思想，换成勾码滑轮组合，进而能实现B板产生稳定的匀加速直线运动状态，使弹簧秤产生的数据更加稳定。了解了牛顿三定律与摩擦力实验千丝万缕的联系，有助于教师更好地应用和创新实验设计，将摩擦力实验效果表现得更加出色。

4 总 结

实验设计是一个逻辑性很强的过程，设计实验时需要注意思维的转化，牛顿三定律是联系力与运动的一个纽带，牛顿三定律将内敛的摩擦力表现出奔放的热情，从牛顿三定律角度去分析设计将会扩展实验设计的思路，简化实验过程，促进实验创新，提升实验效果。

参考文献：

[1]卢堂枝.关于“摩擦力”概念的讨论[J].教学与管理，2003（03）：65-66.

[2]李友兴.浅谈中学物理实验设计思维方法[J].中学物理教学参考，2007（Z1）：36-38.

[3]陈利.熟悉又陌生的摩擦力[J].中学生数理化（八年级物理）（配合人教社教材），2016（Z1）：10-12.

[4]顾燕红.中学物理教学实验设计理论的初步研究[D].苏州：苏州大学硕士学位论文，2006.

[5]孙丽媛，徐恩生，罗洪超.牛顿第一定律的实质、地位和作用[J]. 沈阳航空工业学院学报，2005（02）：78-79+3.

[6]范增.我国高中物理核心概念及其学习进阶研究[D].重庆：西南大学博士学位论文，2013.

（栏目编辑 王柏庐）endprint