探究影响摩擦力大小的因素.doc

影响摩擦力大小因素的实验设计与分析
物理学是一门实验科学，而物理教学中的演示实验教学，无论是展示现象、导出概念还是发现规律，都有着其他教学方式不可替代的作用。通过演示实验，能够提供丰富的感性材料，使抽象枯燥的知识变得形象、生动。它既可以激发学生学习物理的兴趣，调动学生学习的积极性、主动性，提高课堂教学效率，又可以培养学生的探究能力、观察能力、实践能力、操作能力、归纳和总结能力，更重要的是可以形成学生严谨的、实事求是的科学态度。①
高中九年义务教育教材第三章第三节《摩擦力》，是本章乃至高中物理学习都是一个重点，也是一个难点，尤其是对影响摩擦力大小因素的实验探究。
一、 传统实验不足
为了增进学生对于物理规律的理解，老师一般会带领学生参与物理实验，在传统的实验中，会采用在水平面上手拉弹簧测力计的方法，利用控制变量法，通过不断改变物块对接触面的正压力、接触面的粗糙程度、接触面的面积等物理量，得出不同几组数据，进而得到结论。如图所示。
（图片）
显然实验中，存在一些不足，导致实验误差较大，甚至与正确的实验结论相违背，不仅无法促进学生对规律的理解，反而会造成更多的误解，对教学带来很大的不便。第一，弹簧测力计水平放置，学生不以观察弹簧测力计示数的变化；第二，弹簧测力计处于运动状态，给精确度数造成极大的困难；第三，用人手拉动物块时，无法保证物块作匀速直线运动，而本实验的实验原理就是利用二力平衡的条件，当物块匀速直线运动时，弹簧测力计对物块的拉力（弹簧测力计的示数）等于物块所受摩擦力，当物块不是匀速直线运动时，二者并不相等。
二、 原因分析
笔者通过认真的反思发现，将弹簧测力计水平放置，大部分同学几乎看不到示数，即使少部分同学能看到也很不清楚，使得实验并不能达到预期的效果，而且弹簧测力计是按照竖直放置时制作的，调零、度数时也应是在竖直方向上，传统实验选择水平方式，无论在学生观察度数还是对于测力计本身的精确程度都产生不良的影响。另外，实验中弹簧测力计始终处于运动状态，并且由于很难保证运动是匀速的，继而导致示数不稳定，给度数造成极大的困难。因此笔者想到实验设计时，应不断对实验进行改进，力求将误差缩减到最小。如果能使弹簧测力计在竖直方向放置且处于静止状态，而且使物块处于匀速直线运动或者静止状态，将非常有利于度数并且可以有效的减小实验误差。
介于此，笔者对“探究影响摩擦力大小因素”实验进行了以下的改进，克服了传统实验中的不足，取得了更好地实验效果。
三、 仪器改进导轨
弹簧测力计
拉力传感器
小 车
滑块
小马达

1、弹簧测力计变水平放置为竖直放置，变动为静。将弹簧测力计竖直放置，既可以使同学们直观的观察，又能够消除重力对弹簧测力计的影响，将弹簧测力计固定到竖直木板上并用定滑将物块与测力计链接，使得实验可以在测力计静止状态观察和度数。如图所示：
2、 变手拉物块为小马达牵引物块。为了克服用手拉物块的不稳定性，改用小马达牵引，使物块运动更趋近与匀速直线运动，从而使得实验数据更加的准确。如图所示

3、变物块动为木板动。根据而二平衡条件，只有当物体处于匀速直线运动或者静止时，物块所受的摩擦力才与拉力相等，传统实验中，是使物块做匀速直线运动，事实表明，很难控制使之持续做匀速直线运动，因此笔者选择让物块处于静止状态，而使物块下面的木板运动，受力分析可得，木板只要一直处于运动状态，木板上的物块所受的拉力始终与其所受摩擦力相等。（木板需要一直运动，不能有停止的时候 因为木板一旦停止然后运动，物块所受摩擦力会在滑动摩擦力和最大静摩擦力之间切换，从而导致实验误差。）如图所示：

4、四个探究因素集成化，方便快捷且既适用于初中教学又适用于高中教学。物块将在由A、B、C、D四个区域共同连城的木板上滑动，在A区域木板上铺上了一层摩擦系数较大的棉布，当物块由木板上运动到本区域时，接触面的摩擦系数会变大；B区域在木板下放置了一块强力磁铁，而在物块顶部装有铁片，当物块运动到本区域时，会因磁铁对铁片的吸引力而使物块所受的正压力增大；C区域接触面变窄，当运动到本区域时，物块与木板的接触面积变小；D区域装有与木板表面平行滑轮，物块运动到此处时，其运动性质会由滑动摩擦变为滚动摩擦。当通过拉动木板，使物块依次经过ABCD四个区域时，物块会依次经历：木板→A→木板→B→木板→C→木板→D→木板。通过这次各区域，可以探究物体表面粗糙程度、物体所受压力、接触面的面积以及变滑动为滚动四个因素对摩擦力大小的影响，适用于初中阶段摩擦力的学习，也适用于高中初步学习。

A
B
C
D

5、当物块依次经过四个区域时，通过观察测力计的变化可以定性的看出四个因素对摩擦力大小的影响，但是不够直观没有连续性，因此将弹簧测力计换成DIS拉力传感器，当依次经过四个区域时，可以画出如图所示的图形，通过分析图形的凹凸可以得到摩擦力大小的变化，与四个区域相对应即可总结出四个因素对摩擦力大小的影响。观察E处，在物块滑动之前到刚刚开始滑动期间出现一个峰值，可以得出最大静摩擦力。
E
A
B
C
D
A
B
C
D

导轨
弹簧测力计
拉力传感器
小 车
滑块
小马达

①中小学实验与装备2015年第4期第25卷杨爱会实验教学研究与应
用浅谈中学物理实验教学中的演示实验