探討測定動摩擦因素實驗的幾種方法.doc

探討測定動摩擦因素實驗的幾種方法劉文懷浙江省麗水市松陽一中 浙江 麗水 323400摘要：摩擦力的學習要重于感受和體驗，要重視學生對摩擦力知識框架的主動建構。通過對動摩擦因素的測定，可以讓學生感受摩擦力的存在，了解摩擦力對物體運動起的作用，培養(yǎng)學生用實驗探知物理原理的習慣；通過實驗熟悉各種器材的使用，拓展實驗儀器的使用范圍有利于學生開展研究性學習，為學生自主探求知識打下基礎。關鍵詞：動摩擦因素 摩擦力 滑動摩擦力 測定方法摩擦力是高中物理教學的重要內容，也是物理高考的熱點。人教版普通高中課程標準實驗教科書物理必修本，對摩擦力知識的編排、內容的呈現要求我們在教學過程中要注重學生對摩擦力的感受和體驗，并重視對摩擦力知識框架的主動建構。在我們身邊摩擦力可說無處不在、實例很多，但要科學的認識摩擦力的知識體系，理解摩擦力產生于相對運動或相對運動趨勢、滑動摩擦力和靜摩擦力之間的區(qū)別以及發(fā)生相互轉變的現象，明確滑動摩擦力大小由什么因素決定等問題，最好的方法就是通過實驗探究。測定動摩擦因素實驗就是其中重要的實驗，通過本實驗可以感受物體接觸面之間摩擦力的存在，探究摩擦力大小的決定因素，以感性的實踐方式探究理性的問題，便于學生建構完整的摩擦力知識體系，下面就幾種測定動摩擦因素方法的特點進行探索分析。F彈簧秤圖 （1）1、傳統(tǒng)的測定動摩擦因素實驗方法。在傳統(tǒng)教學中，測定動摩擦因素的方法如圖（1）所示，物塊放在水平木板上，用彈簧秤拉動物塊沿水平方向做勻速直線運動，讀出彈簧秤的讀數F。根據力的平衡條件，物塊受到的滑動摩擦力大小等于彈簧秤對物塊的拉力，即Ff =F。用彈簧秤測出物塊的重力G，因為物塊對木板的壓力FN=G，根據Ff =FN，則有： 。評析：此方法測動摩擦因素的優(yōu)點是：原理簡單清晰、方法簡便；直接感受滑動摩擦力的存在；對摩擦力和動摩擦因素有感性、形象的認識；在剛要拉動時，能感受到靜摩擦力以及靜摩擦向滑動摩擦轉變的現象；增大物塊的重力或對物塊施加一個壓力，滑動摩擦力增大，可以體驗滑動摩擦力與正壓力成正比的原理；還可以探究不同材料接觸面的動摩擦因素，認識動摩擦因素與接觸面的材料有關的事實；對初學摩擦力的學生深入理解摩擦力的知識體系和建構摩擦力的知識框架有非常重要的意義。該方法的不足之處是：在用手拉動彈簧秤過程中，很難保證物塊做勻速直線運動，增大實驗的系統(tǒng)誤差，降低學生對實驗結論的認可度；在拉動中對彈簧秤的讀數較為困難，增大讀數的人為誤差，影響實驗的準確程度。2、利用動能定理測動摩擦因素（此方法在物理教師2006年第5期56頁巧測動摩擦因素中有介紹）。如圖（2）所示，兩塊粗糙程度相同的木板AD、CD組成斜面和水平面，斜面的傾角為，D為兩板的連接處（光滑且圓滑，物塊在此處運動不損失機械能）。AhBDLS1CS2圖 （2）實驗原理：將物塊放在A點，讓它自由下滑，物塊停止在水平木板的C點。根據動能定理得：物塊從A運動到C時，重力和摩擦力做的總功為0，則有： 。用刻度尺測出A點到A點在CD所在平面的投影B的高度差h和B到C電的水平距離L，由于，因此。特點分析：本實驗方法的優(yōu)點是：實驗裝置組成簡單、器材選擇方便，適用于學生實驗或學生自主探究；測量所用的工具是學生最常見的刻度尺，操作簡便；學生讀取數據的方法熟悉準確，可以減小人為造成的誤差；通過實驗讓學生練習應用動能定理解決問題，加深對動能定理的理解、提升對動能定理的應用能力。不足之處是：物塊運動到裝置中兩板的連接處D點時，不可能做到無機械能損失，使得實驗誤差較大；學生不能直接體驗到摩擦力的存在，無法感知滑動摩擦力的大與壓力大小和動摩擦因素之間的關系；從教材編排來看，動能定理應在摩擦力的教學之后學習，學生初學摩擦力不適用本方法探究。紙帶打點計時器物塊鉤碼圖 （3）3、利用打點計時器和運動學規(guī)律測動摩擦因素。如圖（3）所示，打點計時器固定在帶有定滑輪的長木板的左端，物塊靠近打點計時器放在長木板上，左側固定一條紙帶并穿過打點計時器，右邊栓著細繩跨過長木板右端的定滑輪，繩子末端掛有一個托盤。6543210S6S5S4S3S2S1圖 （4）實驗過程和原理：打點計時器接入電源，用手壓住物塊，在托盤上放置一個質量為m的鉤碼；接通電源，放開物塊，使物塊做勻加速直線運動，打點計時器記錄紙帶如圖（4）。打點周期T0.02s，根據勻變速運動的規(guī)律，相鄰的時間間隔的位移之差，運用逐差法求解物塊做勻加速運動的加速度：； ； ，則加速度的平均值，測量物塊的質量為M，根據牛頓定律得， ，所以，實驗分析：該方法的優(yōu)點是：原理清楚、方法明確、操作的條理性強；用打點計時器記錄準確、用逐差法處理數據，減小了實驗的人為誤差，提高實驗結論的可信度；適當增大鉤碼的質量m和物塊的質量M，可以減小實驗操作的系統(tǒng)誤差；利用牛頓第二定律和勻變速運動的特點為原理探測動摩擦因素，有利于學生形成完整的動力學知識網絡；練習操作打點計時器進行實驗，有利于啟發(fā)學生拓展實驗器材運用的視野，便于學生進行研究性學習的開展。此方法的不足之處是：用逐差法處理數據，實驗結論的得出計算比較煩瑣；不能讓學生直接體驗摩擦力的存在；對實驗過程過于趨于理性化，不利于學生初學時熱情的激發(fā)；對物理學基礎較好、興趣濃厚的學生此方法值得推薦，但對學習基礎較差的學生由于原理層次多、計算麻煩反而不能引起興趣。4、用相對滑動測動摩擦因素。如圖（5）所示，長木板放在水平桌面上，物塊放在長木板的上面，左側連接著彈簧秤，彈簧秤固定在豎直墻壁上。F彈簧秤圖 （5）實驗原理：用力F拉動長木板沿水平方向做加速運動（只要相對物塊滑動就可以），物塊靜止，因此與長木板之間的滑動摩擦力等于彈簧秤的示數。讀出此時彈簧秤的示數F1，則有滑動摩擦力，再用彈簧秤測出物塊重力G，根據FN=G和Ff=FN，則有： 。特點評析：此方法進行實驗與方法一，有異曲同工之妙，原理清楚、方法簡單，對滑動摩擦力的體驗直接；只要長木板向右運動，與物塊的滑動摩擦力就不變，彈簧秤的讀數穩(wěn)定，便于學生操作，誤差減?。豢梢愿兄\動的相對性，并能用作用力與反作用力思考分析問題，有利于牛頓定律規(guī)律的理解和鞏固，是值得推薦的一種測定方法。不足之處是彈簧秤保持水平比較困難，對實驗的結論會有一定的誤差。實驗的目的是探索與驗證，通過感性的操作探求理性的規(guī)律。測定動摩擦因素實驗的目的不僅僅是測定某一接