探究静摩擦力大小实验装置的改进

姬影 彭朝阳

摘   要：物理实验教学是物理教学工作的基础环节，教学实验器材的创新是教学理念与实践连接的纽带和桥梁。从探究最大静摩擦力的实验教学出发，针对实验装置进行改进，借助传感器绘制图像展示数据，有利于定性和定量地探究静摩擦力的大小。

关键词：静摩擦力;实验改进;图像

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0046-3

1    引  言

“摩擦力”选自人教版高中物理必修1第3章第3节的内容，是在学习了重力、弹力基础上的进一步研究，它是常见的三种力之一。正确认识摩擦力对前后知识的学习有着至关重要的作用，它是衔接本章重力、弹力和力的合成与分解知识的重要桥梁。学生通过初中学习，已对摩擦力的概念有初步的认识，但在理解上还不够完善。高一学生的思维正处于直观形象思维向逻辑抽象思维过渡的阶段，对实验观察有兴趣，但理性认知能力还有待提高。

基于教材本身的重要地位和学生的学情，如何在教学中揭示实验的本质显得尤为重要。但在实验过程中因操作上的缺陷与误差及实验器材本身的局限性，实验效果并不理想。

2    现行教材中的问题

综合对比各版本教材的实验设计发现，教材均选取弹簧测力计作为测力的工具。现以人教版高中物理必修一第三章第三节中“摩擦力”的实验为例，教材叙述如下：把木块放在水平长木板上，用弹簧测力计沿水平方向拉木块。在拉力F增大到一定值之前，木块不会运动。在弹簧测力计的指针下轻塞一个小纸团，它可以随指针移动，并作为指针到达最大位置的标记。继续用力，当拉力达到某一数值时木块开始移动，此时拉力会突然变小[1]。

虽然操作简单，但在实验过程中因操作上的缺陷与误差及实验器材本身的局限性，实验效果并不理想。本实验装置（如图1所示）作为演示实验可见度低，不能满足全班学生同时进行实验的需求，且小纸团的位置移动不能准确读出拉力整个过程中的大小变化。

3    探究静摩擦力大小实验装置的改进

在教学中笔者通过对实验的多次研究和反思，制作了如图2所示的探究静摩擦力大小的实验装置。

装置的制作过程及操作方法：

（1）准备材料：水平长木板、电动机、尼龙绳、力学传感器、一根弹簧、带有挂钩的小木块、铜块4个、光敏电阻、发光二极管。

（2）制作方法：① 将电动机固定在长木板的左端，用尼龙绳的一端与转轴相连，另一端连接力学传感器。② 传感器右端依次连接弹簧、木块，调整力学传感器、弹簧、木块的位置，尽可能使三者在同一水平高度，如图3所示。③ 将装有光敏电阻的实验盒与小木块相连。④将传感器连接数据采集器后接入电脑USB接口。

（3）装置优点：

① 方便操作：教师演示时可以独立操作。通过电动机拉动传感器、弹簧、小木块，可以尽可能地保证拉力的连续性和稳定性。因为木块整个过程处于静止状态，所以水平方向受到的拉力等于木块受到木板的静摩擦力。

② 方便观察：整套装置在实验过程中面对学生，弹簧在外力增大过程中发生明显形变，学生可以直观感受到拉力变化的过程。当木块移动的瞬间，由光敏电阻控制的发光二极管会闪烁，如图4所示。

③ 方便读数：借助力学传感器可以连续记录拉力大小变化，学生通过屏幕中力的图像读取静摩擦力的大小及静摩擦力的大小变化过程，如图5所示。

④ 可探究最大静摩擦力的影响因素、滑动摩擦力的影响因素。

（4）实验过程：

打开电脑中的DISLAB软件，连接力学传感器，设定X轴代表时间，Y轴代表力的大小，如图6所示。

实验一： 探究静摩擦力与外力的大小关系

连接装置，思考以下问题，通过实验找到它们的答案：

①刚开始木块处于什么状态？受哪些力的作用？这些力的大小关系如何？

②发生相对运动以前，静摩擦力的大小是恒定的吗？如果不是，有特殊值吗？如果有，是什么样的特殊值？

③发生相对运动后的滑动摩擦力和最大静摩擦力的大小关系是什么？

实验二： 探究最大静摩擦力大小的相關因素

①探究最大静摩擦力与压力的关系（保持接触面和接触面积不变，改变压力），如表1。

打开电动机开关，按照实验要求，得到静摩擦力的变化图像，如图7所示。

由前三组数据的图像可以看出：三组图像的走势近似平行，因此得出“最大静摩擦力的大小跟接触面间的压力成正比”。

②探究最大静摩擦力与接触面粗糙程度的关系（保持压力和接触面积不变，改变接触面粗糙程度），如表2。

实验结论：

① 静摩擦力的大小随着推力的增大而增大，但静摩擦力有一个最大限度，叫最大静摩擦力，所以静摩擦力的取值范围为0

② 最大静摩擦力的大小跟压力和接触面间的粗糙程度有关。

4    结  语

经过调查研究，发现力传感器在中学物理教学中有极其重要的教学价值，但要合理应用。在本次实验改进过程中，既保留了传统，又引进了新技术。既让学生接触了新的实验仪器，开阔了视野，也让学生继承了前辈的实验经验，并且在这基础上还引导了学生进行创新。改进实验装置可以尽量缩小实验中的误差，对激发和提高学生的学习兴趣、培养学生的观察力和实验能力、科学思维具有特别重要的作用，因此在物理实验教学过程中可以鼓励学生积极参加实验创新活动[2]。

参考文献：

[1]张大昌.普通高中课程标准实验教科书物理必修一第3版[M].北京：人民教育出版社，2010：57.

[2]蔡孝文，周新雅，陈昊然，等.改进测量滑动摩擦力大小实验装置的评析[J].中学物理，2018（4）：27-29.

（栏目编辑    王柏庐）