摩擦力與壓強關系探究實驗方案改進 摘要：摩擦力是中學生較難掌握的知識點之一，學生在教師指導下自主完成摩擦探究實驗，是掌握此規律的重要途徑之一。針對教材中實驗方案設計和傳統數據分析流程的不足，本文提出了一種改進的實驗方案，該方案可克服教材提供方案的不足，方便學生小組實驗，使數據分析更加科學，實現學生自主、合作、探索的學習方法，提高學生的信息處理能力。 關鍵詞：摩擦力；實驗方案；自主探究 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2015)4-0075-3 摩擦力是高中物理教學的重點和難點之一，滑動摩擦力與壓強之間有什么關系？ 很多教材都是以教師演示實驗的方式引導學生探究，而不安排學生通過小組實驗進行自主探究，這樣往往造成學生被動接受實驗結論，缺乏親身實踐的探究經驗。高中物理必修1（人教版）教材中，這項演示實驗采用彈簧測力計直接拉動木塊來研究摩擦力的變化，雖然方法簡單，操作方便。但實驗中用手拉動彈簧測力計很難保證木塊做勻速直線運動，在運動過程中不易準確讀出讀數，學生對實驗得出的結論不服氣，教學效果差。雖然高中物理1（思南版）教材對此實驗做了一些改進（裝置見圖1），但將彈簧測力計和木塊固定不動，與其接觸的長木板進行拖動。
這種改進方案仍存在兩個問題：①在拖動長木板時，水平拉伸的彈簧測力計由于自身重力作用而下垂，使得彈簧測力計上的拉桿或指針容易接觸到彈簧秤的外殼，摩擦阻力容易導致彈力測量誤差；②當接觸面不是很平整時，拉動木板時，彈簧的彈力會發生變化，示值也會隨之變化，讀數不會很準確。針對教材中設計方案的不足，有作者采用了繁瑣的改進方案[1, 2]，或使用力值傳感器代替傳統的彈簧秤[3, 4, 5]。但那些繁瑣的方案和昂貴的DIS實驗設備最終會讓老師因麻煩、不會配置而放棄實驗。為此，大多數老師只能采用圖1中的裝置進行簡單的演示實驗。 同時，教材采用的是手工畫圖的傳統數據處理方法，很多老師往往以“在實驗誤差允許范圍內”得出實驗的正確結論來解釋，這種分析方法很難讓人信服。針對以上問題，筆者對圖1所示的實驗裝置（思南版）做了一些簡單的改進，利用計算機軟件對實驗數據進行處理。此方案不僅克服了原方案的不足，而且便于開展學生小組實驗，實現學生主動參與和自主探索，其數據分析過程通俗易懂、令人信服，可以促進教學目標的達成。1實驗方法1.1實驗儀器彈簧測力計1臺，帶細鐵絲的小滑塊1個，表面粗糙度約為1m的長木板1塊，帶2根橫桿的鐵架1個，50g重物若干，計算機1臺。
1.2 實驗原理 1.2.1 教材中的實驗方案 在高中物理1（思南版）第71頁“實驗與探索”一節中，有如下介紹： 彈簧測力計的一端固定在P點，自由端用細鐵絲水平綁在滑塊A上，拉動長木板B，測力計讀數T等于A、B間的滑動摩擦力f，如圖1所示。 ■ 圖1 物理必修1（思南版）測滑動摩擦力大小的實驗原理圖 用該方案進行實驗探索，雖然儀器簡單，但是實際操作過程中，彈簧測力計的指針晃動劇烈；且由于自身重力作用，細鐵絲無法保持水平狀態；而且測力計的指針或拉桿非常容易碰到外殼，引入不必要的實驗誤差。 鑒于此，本文提出了實驗改進方案，希望能夠克服這些不足。1.2.2 改進的實驗方案實驗裝置如圖2所示，將整個裝置放置在水平桌上，彈簧測力計垂直懸掛在鐵架上部橫桿上。在自由端綁上一根細導線繞過光滑的橫桿并水平連接到滑塊A上。調整光滑橫桿的高度，使細導線與長木板平行壓力與摩擦力的關系公式，保證滑塊受到水平拉力。將細導線的另一端掛在測力計上，調整測力計的位置，使細導線處于垂直狀態，保證測力計受到垂直向下的拉力。 沿圖示v方向拖動長木板B，測力計讀數T等于A、B間滑動摩擦力的大小。本實驗方案引入鐵架，將彈簧測力計垂直懸掛，有效地克服了教科書中設計方案因測力計自重下垂而產生的實驗誤差。
鐵架下部橫桿為光滑橫桿，此處摩擦力較小，可以忽略不計。■圖2 測量滑動摩擦大小的改進方案圖1.3 實驗過程 (1)安裝實驗裝置前，用彈簧測力計稱量滑塊A的重量，并將數據記錄在表1中。 (2)按圖示連接裝置，調節測力計使其處于垂直狀態，表盤朝向操作者，調節零位。 (3)用細導線將滑塊A放置在長木板B上，細導線的另一端穿過鐵架光滑的橫桿，連接到測力計的自由端。調節橫桿的高度，使細導線與長木板平行。 (4)重新定位測力計，保證其受到垂直向下的拉力。 (5)按圖示v方向拖動長木板B。 待測力計指針穩定后，讀取測力計讀數并記錄數據。（6）按表1中的設計，在滑塊A上分別添加2、4、6個50 g的砝碼，重復實驗步驟（5）的操作。（7）數據處理。可按照教科書提供的實驗數據處理方法進行，但作者建議此步驟可以使用計算機Excel軟件進行數據處理，包括記錄數據、標繪點、繪制曲線以及得到擬合曲線，對擬合曲線進行分析，得到滑動摩擦力大小與法向壓力之間的關系。（8）實驗完成，學生整理儀器。2實驗結果與討論作者利用學校現有的實驗設備，本次課堂教學內容按照本文提供的改進方案進行，學生分組進行實驗教學，利用Excel軟件對實驗數據進行處理，效果良好。
一組學生數據如圖3所示。■圖3 滑動摩擦大小與法向壓強關系擬合曲線從圖3可以清楚的看到，f與法向壓強N明顯呈線性相關（R2=0.9999），實驗數據處理方便，效果明顯。圖中擬合曲線為y=0.2173x+0.0028，即f=0.2173N+0.0028。我們可以用一個參數來代替斜率，即令μ=0.2173，令C=0.0028，則公式可以重寫為f=μN+C。C值解釋：任何物理實驗定律的得到，都需要經過無數次精確的測量。 經過科學家無數次的精確測量，發現C值無限接近于0，即在理想條件下，f與N成正比。另外，從摩擦產生的條件來看，其中一條就是必須有壓力，如果沒有壓力，即N=0，也就沒有摩擦，即f=0，所以C=0。由此可以得到滑動摩擦的大小與法向壓力f=μN的關系。在傳統教材中，對于這一部分的實驗數據分析，往往是在得到數據后，通過手工描點、畫圖的方式進行。如果得到一條直線，說明在允許的誤差范圍內，f與N成正比。筆者認為，通過實驗數據得到擬合函數，再引導學生分析得出滑動摩擦的計算公式，比傳統的分析方法更有說服力，也培養了學生運用所學知識分析解決物理問題的能力。 此外，針對引入的參數μ，引導學生觀察表格數據與圖形的斜率，比較T/N比值與斜率的關系。
通過比較不難發現，在實驗的誤差范圍內，T/N比值等于斜率。同時，通過改變木塊與長木板的接觸材料，如在木塊底部粘上木頭，重復上述實驗和數據處理，觀察T/N比值與圖形斜率μ的變化，引導學生得出結論：接觸面的粗糙程度不同直接導致斜率μ值的不同，接觸面越粗糙，斜率μ值越大。在物理學中，我們把T/N比值與斜率μ定義為動摩擦系數。從實驗數據處理中，引導學生學會分析fN圖形，理解斜率的大小就是動摩擦系數。4 結論本文提出的實驗改進方案，可以克服教材提供方案的不足，儀器準備簡單，操作方便，方便學生分組實驗，獲得真實體驗； 實驗數據分析更加科學，易于學生理解，教學效果更加理想。引入計算機軟件進行實驗數據處理壓力與摩擦力的關系公式，可以讓學生接觸一些現代科技手段，提高學生的實驗興趣，培養學生運用現代技術的能力，也實現了現代信息技術與物理課程的融合。另外，本改進方案需要說明以下幾點：1）實驗裝置中鐵架的光滑橫桿可以用定滑輪代替；2）本方案操作工序較多，建議兩人或兩人以上學生配合完成，同時拖動木板的學生拖動速度不宜過快，以合理有效地利用木板的長度；3）在用本方案完成學生分組實驗時，必須和學生明確分析摩擦方向；4）用計算機Excel軟件或軟件進行數據處理對授課教師提出了更高的要求。
參考文獻： [1]王文祥,王碩君,米保國.摩擦力演示實驗的改進[J].教學與管理,2011,(18):139。 [2]曹開政.“摩擦力影響因素探索實驗”改進方案[J].物理教學探討,2009,(3):61。 [3]張強,龐慧華.“摩擦力”實驗設計的改進[J].物理教師,2012,(11):39。 [4]趙艷君.利用DIS進行滑動摩擦力實驗的演示[J].物理教學,2010,(7):27。 [5]鄒芳云.利用力學傳感器測量摩擦力的實驗研究[J].教學儀器與實驗,2007,(01):15。(專欄主編鄧磊)