借助不倒翁“看见”水平转盘上物体所受静摩擦力的方向

贾艳萍

(浙江省舟山中学 浙江 舟山 316021)

1 问题的提出

人教版高中物理必修第二册“向心力”一节的“问题与练习”中的第3题[1]：如图1所示，小物体随着圆盘匀速圆周运动，讨论物体所受静摩擦力的方向.虽然从受力和匀速圆周运动的条件学生可以接受静摩擦力的方向指向圆心，但是很多学生还是会问为什么不是沿切线方向？原因是学生不能合理地判断物体相对运动趋势方向，更无法从已有生活经验类比感知.接下来笔者先根据定义推导静摩擦力的方向，然后借助创新实验的不倒翁，形象、直观地展示出物体相对转盘的运动趋势方向，从而轻松判断出静摩擦力的方向.

图1 第3题题图

2 理论推导

图2 物体随转盘匀速圆周运动的俯视图

3 实验验证

3.1 实验器材

两个完全相同的不倒翁、频率可调的水平转盘、学生电源、砂纸一张.

3.2 实验结果

图3为转盘静止时两不倒翁放置状态.

图3 转盘静止时不倒翁放置状态

图4为转盘匀速转动时不同时刻两不倒翁的相对状态.

(a) (b)

(c) (d)

3.3 实验结论

频率不变时，边缘处的不倒翁向外倾斜，并和圆心处的不倒翁始终面对面.这说明匀速圆周运动时，边缘处的不倒翁有沿半径向外运动的趋势.因此，其受到的静摩擦力的方向沿半径指向圆心.

4 总结

摩擦力方向的判断是高中物理力学部分的教学难点.借助学生熟悉的不倒翁，可以非常形象、直观地展示出水平转盘上匀速圆周运动的物体相对运动趋势的方向，快速判断出静摩擦力的方向.借助该创新实验，既突破了教学难点，又增加了学生物理学习的兴趣.