滑动摩擦力探究实验装置改进

冯 莉

(四川省南充高级中学，四川 南充 637900)

“研究影响滑动摩擦力大小的因素”是人教版物理8年级下册第8章第3节“摩擦力”的教学重点.这个探究性实验不仅要求学生掌握测量滑动摩擦力的实验技能，更强调让学生经历提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作的科学探究过程，从而培养学生实事求是的科学态度.但教材中的实验设计存在一些不足，实际操作过程困难.基于此，本文对该实验的自制实验装置和实验设计作出说明，并阐述实验操作过程、总结实践结果.

教材传统实验中学生根据图1所示实验器材进行分组实验.具体实验操作步骤：首先，用弹簧测力计水平拉动木块，使木块沿水平长木板匀速滑动，根据二力平衡知识可知，弹簧测力计的示数就等于木块受到的滑动摩擦力大小；
接着，运用控制变量法，只改变木块上的钩码数量，从而改变木块对长木板的压力，测出此种情况下的滑动摩擦力；
然后，换用材料相同但表面更粗糙的长木板，保持砝码数量不变，测出此种情况下的滑动摩擦力.[1]

图1 研究影响滑动摩擦力大小的因素

教材传统实验方案存在以下几点不足：
(1) 依靠手难以保证木块做匀速直线运动.(2) 不易控制拉力沿水平方向.(3) 难以探究接触面积大小、物体运动速度大小对实验结果的影响.(4) 更换材料繁琐，操作麻烦.(5) 木板水平情况不易检测.

近几年，针对教材实验的不足，很多教师提出了改进的实验方案.[2-5]常见改进方案的主要思想是通过拉动其他物体使研究物体相对于地面静止.典型模型有2种，模型1如图2所示，弹簧测力计固定不动，拉动长木板运动；
模型2为传送带模型如图3所示，置于传送带上的木块一端与固定不动的弹簧测力计相连，改变传送带的转动速度.虽然2种模型中，无论长木板和传送带是否匀速运动，弹簧测力计的示数都等于木块所受滑动摩擦力的大小，但2种改进方案存在以下3点问题：(1) 模型1将教材实验中运动的木块变为静止，而初学者很难熟练掌握静止的物体也可以受到滑动摩擦力，因而对改进模型较难理解，违背了实验设计的直观性原则；
(2) 模型1中，弹簧测力计的自重会导致木块所受拉力不在水平线上，使测量结果不准确；
(3) 模型2中，由于传送带表面凹凸不平，在启动传送带时，木块容易滑落.

图2 模型1：保持木块不动,拖动长木板

图3 模型2：传送带模型

基于模型1，也有教师提出了利用DIS(数字化信息系统)将弹簧测力计用力传感器代替，使测量结果更加精确，[6]如图4所示.但依然不能解决学生难以理解模型原理的难题.

图4 基于DIS的实验装置图

为了解决上述问题，笔者在教材传统实验思想的基础上，自制了实验装置.

笔者用可调速电动机代替手拉动弹簧测力计，确保木块做匀速直线运动.为了克服弹簧测力计自身重力导致木块所受拉力不在水平线上的问题，笔者进一步将弹簧测力计与研究物体结合在一起，将两者作为一个研究整体(如图5所示).当电动机通过细线拉动整体做匀速直线运动时，对研究整体进行受力分析，在水平方向上，它受到细线向右的拉力和地面向左的滑动摩擦力，根据二力平衡的原理，滑动摩擦力和拉力的大小相等，而拉力大小又可以通过弹簧测力计的示数直接读出来，因此滑动摩擦力的大小就等于弹簧测力计的示数.

图5 克服弹簧测力计自身重力设计图

为了解决以往实验探究过程中不完善的问题，笔者通过将弹簧测力计嵌入到盒子内部，设计制作了研究物体——摩擦套盒，如图6所示.套盒总重为2 N，高和宽相同，盒顶透明，方便读数.套盒底部A面较光滑，B面切了3个面积相等的长方形孔洞，从而改变接触面积的大小；
C面贴了粗糙的橡胶垫，从而改变接触面的粗糙程度；
透明盒顶有8个圆形凹槽，用于放置钩码，进而改变接触面所受压力大小.再利用可调速电动机，便可完成探究压力大小、接触面粗糙程度、接触面积大小、物体运动速度大小4个因素对滑动摩擦力大小的影响.

图6 摩擦套盒实物图

此外，为了确保木板保持水平，笔者在木板底部对称地安装了4个调平旋钮，木板尾部安装了水平仪.整个实验装置主要由摩擦套盒、电动机、调速器、调平旋钮、水平仪、限位器构成(如图7所示).调平旋钮、水平仪用于调节木板水平，电动机拉动摩擦套盒做匀速直线运动，调速器可改变拉动速度，限位器确保拉力水平.

图7 摩擦力的测量与设备说明

(1) 盒顶不加钩码，让套盒A面与木板接触，利用电动机改变摩擦套盒匀速直线运动速度，分别测出低速和高速情况下的滑动摩擦力.

(2) 不加钩码，调速旋钮旋至低速档，分别让A面和B面与木板接触，测出此种情况下的滑动摩擦力.

(3) 不加钩码，调速旋钮旋至低速挡，分别让A面和C面与木板接触，测出此种情况下的滑动摩擦力.

(4) 调速旋钮旋至低速挡，让套盒A面与木板接触，每次向盒顶左右各加1个50 g的钩码，对称放置，测出此种情况下的滑动摩擦力.

数据处理与分析：

针对4次实验，分别选取4组学生的数据，记录如表1-4.

表1 滑动摩擦力与物体运动速度实验数据

分析表1和表2数据可得出结论,滑动摩擦力的大小跟物体运动速度和接触面积大小无关；
分析表3和表4数据可得出结论，滑动摩擦力的大小跟接触面的粗糙程度和接触面所受的压力有关，接触面越粗糙、接触面所受的压力越大，滑动摩擦力越大.

表2 滑动摩擦力与接触面积实验数据

表3 滑动摩擦力与接触面粗糙程度实验数据

引导学生仔细观察表4数据：当压力从2 N变成4 N时，滑动摩擦力也变成原来的2倍，当压力从2 N变成6 N时，滑动摩擦力也变成原来的3倍，学生很容易猜想到滑动摩擦力大小可能与压力大小成正比.此时，教师利用更精确的测量工具拉力传感器来验证这一猜想.首先，用拉力传感器替换弹簧测力计的摩擦套盒，打开DIS中相应软件，每次向盒顶左右各加1个50 g的钩码，选取数据比较稳定部分取平均值，如图8所示，依次得到6组数据，在已自动描出6个点的坐标系中，选择直线拟合，便得到一条近似过原点的倾斜直线.因此可以粗略得出——当接触面粗糙程度一定时，滑动摩擦力大小与压力大小成正比.

图8 f-FN图

接着，改变接触面材料，进行多次实验.如图9所示，分别是橡胶垫与木板、棉布与木板接触时得到的图像.

图9 f-FN图

综上，可以得出结论：在实验误差允许的范围内，当接触面粗糙程度一定时，滑动摩擦力大小与压力大小成正比.

(1) 实验装置的设计思想完全来源于教材传统实验，符合学生的认知规律，学生容易理解.

(2) 用可调速电机代替手，确保了物体做匀速直线运动.

(3) 一套装置可探究多个影响因素，操作简单，易于推广.

(4) 实验装置中调速电机的选取、摩擦套盒的设计、调平旋钮及水平仪的选取、DIS的利用，增加课堂趣味性和科学性的同时激发了学生学习的积极性和创新意识，有利于培养学生的创造性思维和科学探究精神.