“探究影响滑动摩擦力大小因素”实验的改进

摘要

人教版（2012年版）物理八年级下册测量滑动摩擦力实验，凭借手拉动木块很难让其沿水平方向做匀速直线运动，凭借肉眼也很难识别出木块是否在做匀速直线运动。因此，改用机器人等套件对“探究影响滑动摩擦力大小因素”的演示实验装置进行了完善、创新。从实际使用效果看，利用机器人装置测量滑动摩擦力，可以使测量结果更准确、操作更简便。

Graphical abstract

关键词

滑动摩擦力 / 二力平衡 / 机器人 / 演示器 / 实验改进

对测量摩擦力实验的改进，可以基于加速运动体系，利用打点计时器测出物体的加速度，并根据牛顿第二定律求出物体所受的摩擦力^［1］，但该方法不适用于初中阶段的教学。在初中物理课堂上，“探究影响滑动摩擦力大小因素”实验是常见的实验之一。尽管该实验相对简单、易于操作，但在实验过程中，仍存在一些弊端。测量滑动摩擦力实验，能够揭示出滑动摩擦力的本质，同时锻炼学生的动手能力，这对学生学好这部分知识有很大的帮助^［2］。笔者对滑动摩擦力实验进行了以下研究。

1 教材实验

1.1 实验方案

人教版（2012年版）物理八年级下册中有测量滑动摩擦力的实验，将木块放在水平桌面上，将弹簧测力计挂在木块上，用手沿水平方向拉着弹簧测力计使木块做匀速直线运动，读出弹簧测力计示数，即为木块受到的滑动摩擦力的大小。在“探究影响滑动摩擦力大小因素”实验设计中，通过改变接触面的材料、改变木块上的砝码数，分别探究滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度及接触面所受压力大小的关系。

1.2 教材实验分析

（1） 根据二力平衡原理可知，要想使木块所受到的滑动摩擦力与弹簧测力计对木块的牵引力为一对平衡力，就必须使用弹簧测力计匀速拉动放在水平桌面上的木块，使其沿水平方向运动，此时读出弹簧测力计的示数即为木块所受的滑动摩擦力的大小。但在实际操作中发现，很难做到拉动着弹簧测力计做匀速直线运动，在这一过程中弹簧测力计的示数会忽大忽小。

（2） 一边用手拉动弹簧测力计运动、一边读数，会使数据存在较大误差。

（3） 在实验过程中，可能会存在一些干扰因素。如空气阻力、不稳定的实验台等。

综上所述，“探究影响滑动摩擦力大小因素”实验的弊端包括：实验误差、干扰因素、操作错误和实验结果的可重复性差等。

2 传统实验改进

2.1 实验方案

如图1所示，在水平桌面上放一块较长的木板，再在长木板上放一个木块，取一只弹簧测力计，将弹簧测力计的一端固定在固定杆上，用其另一端拉着木块。

【实验操作】拉动下端的长木板，当木块相对于地面静止时，读出弹簧测力计的示数，即是木块所受滑动摩擦力的大小。

2.2 改进原理

物体运动的快慢并不会影响滑动摩擦力的大小，在拉动长木板的过程中，木块对长木板的压力始终等于木块的重力，大小不变且木块与木板间接触面的粗糙程度不变，即影响滑动摩擦力的因素均不变。当木块相对于地面静止时，即弹簧测力计的示数稳定后，木块受到平衡力，即弹簧测力计对木块向左的拉力与长木板对木块向右的滑动摩擦力为一对平衡力，且大小相等。因此，在实验操作中即使不匀速拉动长木板，弹簧测力计的示数仍能反映木块所受滑动摩擦力的大小。该方法操作简单，且每次读数时弹簧测力计处于静止状态，示数稳定。

2.3 实验缺陷

（1） 弹簧测力计受到竖直向下的重力，若按图1所示摆放，弹簧测力计会形成下垂状态，则弹簧测力计不能水平静止。

（2） 当非匀速直线运动与平衡力同时出现时，学生会形成认知冲突，导致学生不易理解实验原理。

（3） 用滑动摩擦力大小影响因素的知识解释“探究影响滑动摩擦力大小因素”实验的改进是本末倒置，因此，该实验方案不适用于新课的讲授。

3 利用机器人改进实验

3.1 装置介绍

（1） 基于以上原因，笔者所在学校机器人兴趣小组成员改进并制作了以机器人为主体的半自动摩擦力演示器，如图2所示。

【主要构件】由机器人套件中的梁搭建的框架、编程机器人主机、马达、触碰传感器、地板革、滑块（系长方体纸盒，其内嵌有圆筒弹簧测力计）、砝码、橡皮筋。

（2） 装置通过编程机器人控制马达的运转方向、速度等，由传动装置牵动滑块运动；当滑块触碰到触碰传感器后，编程机器人根据预设编程指令停止运转；滑块内部固定有圆筒弹簧测力计，用于显示滑动摩擦力的大小。

3.2 装置使用方法

（1） 探究速度与滑动摩擦力大小的关系。

在其他因素一定的情况下，改变马达的功率，分别读出弹簧测力计的示数。

（2） 探究压力与滑动摩擦力大小的关系。

在其他因素一定的情况下，改变滑块上的砝码数，读出弹簧测力计的示数。为了帮助学生正确理解接触面受到的压力影响滑动摩擦力的大小，在实验操作时可以将装置竖立使用，即动力装置在上，以便匀速向上拉动滑块。由于滑块受到竖直向下的重力，设弹簧测力计初始状态示数为F₁，随后匀速向上拉动滑块，读出弹簧测力计的示数F₂，则滑块所受的滑动摩擦力为：F₂-F₁。

【对照实验】用手垂直按压小车，力度合适，再次读出弹簧测力计的示数；改变按压力度重复实验，对照几次实验的滑动摩擦力的大小，学生即可轻松理解是压力影响了滑动摩擦力的大小，而非滑块的重力。

（3） 探究接触面积与滑动摩擦力大小的关系。

在其他因素一定的情况下，分别平放、侧放滑块，读出弹簧测力计的示数。

（4） 探究接触面粗糙程度与滑动摩擦力大小的关系。

其他因素一定，接触面分别使用地板革的正面、反面和不使用地板革，分别读出弹簧测力计的示数。

3.3 利用机器人改进实验的优点

（1） 滑块的设计排除了弹簧测力计自身重量对实验的影响，使观察更加便捷、直观。

（2） 机器人马达作为动力驱动滑块时，能较好地控制滑块做匀速直线运动^［3］，则弹簧测力计示数稳定、易于读数。此外，马达功率可调节，便于探究滑动摩擦力大小与速度是否有关。

（3） 触碰传感器的设计使滑块到达位置后自动停止，装置颇具智能化特点。

（4） 滑块上面可以增放砝码，用于探究滑动摩擦力大小与压力的关系。

（5） 滑块可平放或侧放，能很好地完成滑动摩擦力大小与接触面积大小是否有关的研究。

（6） 长木板与地板革的组合，可以完成滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度是否有关的研究。

4 结语

（1） 此实验装置能很好地辅助教与学，除可以探究教材中压力、接触面粗糙程度是否会影响滑动摩擦力大小外，还能轻松地探究速度、接触面积是否会影响滑动摩擦力的大小，且测量精确。直接利用编程机器人套件的材料，组装简便快捷，充分发挥了学科之间的联系，体现了初中物理新课程理念中的跨学科融合特点。

（2） 广大教师可以根据学生的学习需求和教学目标制作适合的教具，便于学生理解和掌握知识；激发学生的兴趣和创造力；降低教学成本，提高教学效率。

（3） 改进方法的创新方式是不断变化的，对于教学中的探究实验或微实验，只要在原有的基础上引领学生大胆创新，换个视角或方法去探究，就一定能取得较好的教学效果。

参考文献

[1] 王其超.滑动摩擦系数的测定［J］.教学仪器与实验，1987（02）：15-16，11.

[2] 李正福，陈清梅，邢红军.摩擦力实验研究及启示［J］.中学物理教学参考，2007（03）：29-30.

[3] 李儒春.测量滑动摩擦力实验的改进［J］.实验教学与仪器，2014，31（7/8）：53.