摩擦力与压强关系探究实验方案改进 摘要：摩擦力是中学生较难掌握的知识点之一，学生在教师指导下自主完成摩擦探究实验，是掌握此规律的重要途径之一。针对教材中实验方案设计和传统数据分析流程的不足，本文提出了一种改进的实验方案，该方案可克服教材提供方案的不足，方便学生小组实验，使数据分析更加科学，实现学生自主、合作、探索的学习方法，提高学生的信息处理能力。 关键词：摩擦力；实验方案；自主探究 中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2015)4-0075-3 摩擦力是高中物理教学的重点和难点之一，滑动摩擦力与压强之间有什么关系？ 很多教材都是以教师演示实验的方式引导学生探究，而不安排学生通过小组实验进行自主探究，这样往往造成学生被动接受实验结论，缺乏亲身实践的探究经验。高中物理必修1（人教版）教材中，这项演示实验采用弹簧测力计直接拉动木块来研究摩擦力的变化，虽然方法简单，操作方便。但实验中用手拉动弹簧测力计很难保证木块做匀速直线运动，在运动过程中不易准确读出读数，学生对实验得出的结论不服气，教学效果差。虽然高中物理1（思南版）教材对此实验做了一些改进（装置见图1），但将弹簧测力计和木块固定不动，与其接触的长木板进行拖动。
这种改进方案仍存在两个问题：①在拖动长木板时，水平拉伸的弹簧测力计由于自身重力作用而下垂，使得弹簧测力计上的拉杆或指针容易接触到弹簧秤的外壳，摩擦阻力容易导致弹力测量误差；②当接触面不是很平整时，拉动木板时，弹簧的弹力会发生变化，示值也会随之变化，读数不会很准确。针对教材中设计方案的不足，有作者采用了繁琐的改进方案[1, 2]，或使用力值传感器代替传统的弹簧秤[3, 4, 5]。但那些繁琐的方案和昂贵的DIS实验设备最终会让老师因麻烦、不会配置而放弃实验。为此，大多数老师只能采用图1中的装置进行简单的演示实验。 同时，教材采用的是手工画图的传统数据处理方法，很多老师往往以“在实验误差允许范围内”得出实验的正确结论来解释，这种分析方法很难让人信服。针对以上问题，笔者对图1所示的实验装置（思南版）做了一些简单的改进，利用计算机软件对实验数据进行处理。此方案不仅克服了原方案的不足，而且便于开展学生小组实验，实现学生主动参与和自主探索，其数据分析过程通俗易懂、令人信服，可以促进教学目标的达成。1实验方法1.1实验仪器弹簧测力计1台，带细铁丝的小滑块1个，表面粗糙度约为1m的长木板1块，带2根横杆的铁架1个，50g重物若干，计算机1台。
1.2 实验原理 1.2.1 教材中的实验方案 在高中物理1（思南版）第71页“实验与探索”一节中，有如下介绍： 弹簧测力计的一端固定在P点，自由端用细铁丝水平绑在滑块A上，拉动长木板B，测力计读数T等于A、B间的滑动摩擦力f，如图1所示。 ■ 图1 物理必修1（思南版）测滑动摩擦力大小的实验原理图 用该方案进行实验探索，虽然仪器简单，但是实际操作过程中，弹簧测力计的指针晃动剧烈；且由于自身重力作用，细铁丝无法保持水平状态；而且测力计的指针或拉杆非常容易碰到外壳，引入不必要的实验误差。 鉴于此，本文提出了实验改进方案，希望能够克服这些不足。1.2.2 改进的实验方案实验装置如图2所示，将整个装置放置在水平桌上，弹簧测力计垂直悬挂在铁架上部横杆上。在自由端绑上一根细导线绕过光滑的横杆并水平连接到滑块A上。调整光滑横杆的高度，使细导线与长木板平行压力与摩擦力的关系公式，保证滑块受到水平拉力。将细导线的另一端挂在测力计上，调整测力计的位置，使细导线处于垂直状态，保证测力计受到垂直向下的拉力。 沿图示v方向拖动长木板B，测力计读数T等于A、B间滑动摩擦力的大小。本实验方案引入铁架，将弹簧测力计垂直悬挂，有效地克服了教科书中设计方案因测力计自重下垂而产生的实验误差。
铁架下部横杆为光滑横杆，此处摩擦力较小，可以忽略不计。■图2 测量滑动摩擦大小的改进方案图1.3 实验过程 (1)安装实验装置前，用弹簧测力计称量滑块A的重量，并将数据记录在表1中。 (2)按图示连接装置，调节测力计使其处于垂直状态，表盘朝向操作者，调节零位。 (3)用细导线将滑块A放置在长木板B上，细导线的另一端穿过铁架光滑的横杆，连接到测力计的自由端。调节横杆的高度，使细导线与长木板平行。 (4)重新定位测力计，保证其受到垂直向下的拉力。 (5)按图示v方向拖动长木板B。 待测力计指针稳定后，读取测力计读数并记录数据。（6）按表1中的设计，在滑块A上分别添加2、4、6个50 g的砝码，重复实验步骤（5）的操作。（7）数据处理。可按照教科书提供的实验数据处理方法进行，但作者建议此步骤可以使用计算机Excel软件进行数据处理，包括记录数据、标绘点、绘制曲线以及得到拟合曲线，对拟合曲线进行分析，得到滑动摩擦力大小与法向压力之间的关系。（8）实验完成，学生整理仪器。2实验结果与讨论作者利用学校现有的实验设备，本次课堂教学内容按照本文提供的改进方案进行，学生分组进行实验教学，利用Excel软件对实验数据进行处理，效果良好。
一组学生数据如图3所示。■图3 滑动摩擦大小与法向压强关系拟合曲线从图3可以清楚的看到，f与法向压强N明显呈线性相关（R2=0.9999），实验数据处理方便，效果明显。图中拟合曲线为y=0.2173x+0.0028，即f=0.2173N+0.0028。我们可以用一个参数来代替斜率，即令μ=0.2173，令C=0.0028，则公式可以重写为f=μN+C。C值解释：任何物理实验定律的得到，都需要经过无数次精确的测量。 经过科学家无数次的精确测量，发现C值无限接近于0，即在理想条件下，f与N成正比。另外，从摩擦产生的条件来看，其中一条就是必须有压力，如果没有压力，即N=0，也就没有摩擦，即f=0，所以C=0。由此可以得到滑动摩擦的大小与法向压力f=μN的关系。在传统教材中，对于这一部分的实验数据分析，往往是在得到数据后，通过手工描点、画图的方式进行。如果得到一条直线，说明在允许的误差范围内，f与N成正比。笔者认为，通过实验数据得到拟合函数，再引导学生分析得出滑动摩擦的计算公式，比传统的分析方法更有说服力，也培养了学生运用所学知识分析解决物理问题的能力。 此外，针对引入的参数μ，引导学生观察表格数据与图形的斜率，比较T/N比值与斜率的关系。
通过比较不难发现，在实验的误差范围内，T/N比值等于斜率。同时，通过改变木块与长木板的接触材料，如在木块底部粘上木头，重复上述实验和数据处理，观察T/N比值与图形斜率μ的变化，引导学生得出结论：接触面的粗糙程度不同直接导致斜率μ值的不同，接触面越粗糙，斜率μ值越大。在物理学中，我们把T/N比值与斜率μ定义为动摩擦系数。从实验数据处理中，引导学生学会分析fN图形，理解斜率的大小就是动摩擦系数。4 结论本文提出的实验改进方案，可以克服教材提供方案的不足，仪器准备简单，操作方便，方便学生分组实验，获得真实体验； 实验数据分析更加科学，易于学生理解，教学效果更加理想。引入计算机软件进行实验数据处理压力与摩擦力的关系公式，可以让学生接触一些现代科技手段，提高学生的实验兴趣，培养学生运用现代技术的能力，也实现了现代信息技术与物理课程的融合。另外，本改进方案需要说明以下几点：1）实验装置中铁架的光滑横杆可以用定滑轮代替；2）本方案操作工序较多，建议两人或两人以上学生配合完成，同时拖动木板的学生拖动速度不宜过快，以合理有效地利用木板的长度；3）在用本方案完成学生分组实验时，必须和学生明确分析摩擦方向；4）用计算机Excel软件或软件进行数据处理对授课教师提出了更高的要求。
参考文献： [1]王文祥,王硕君,米保国.摩擦力演示实验的改进[J].教学与管理,2011,(18):139。 [2]曹开政.“摩擦力影响因素探索实验”改进方案[J].物理教学探讨,2009,(3):61。 [3]张强,庞慧华.“摩擦力”实验设计的改进[J].物理教师,2012,(11):39。 [4]赵艳君.利用DIS进行滑动摩擦力实验的演示[J].物理教学,2010,(7):27。 [5]邹芳云.利用力学传感器测量摩擦力的实验研究[J].教学仪器与实验,2007,(01):15。(专栏主编邓磊)