探究摩擦力大小实验器的设计制作

摘 要：本文通过呈现“探究滑动摩擦力大小”实验在实际教学中存在的困难，从实际出发，对摩擦力实验装置进行改进和设计，大大地提高了实验的可操作性和可观察性，有效地解决了存在的困难。

关键词：摩擦力；实验装置；改进和制作

一、传统实验方法存在的困难

高中物理必修1（教科版）中，第二章第四节《摩擦力》中的“研究滑动摩擦力的大小”实验设计为学生探究实验，并给出了一种实验方案，教材中配有图片一幅。利用实验室常备器材完成该实验方案有如下困难：

1.用铁架台固定弹簧秤，实验时弹簧秤由于自身重力作用使其与木块之间的连线斜向下，从而使实验误差偏大。

2.在水平桌面上拉动木板时，由于开始拉动时为静摩擦，当静摩擦和滑动摩擦之间转换时木块会有来回的振动，此时不能读数，待弹簧秤稳定后，由于木块长度有限，使读数时间有限，会造成读数困难。

3.本实验中我们一般还要求探究摩擦力大小和相对运动速度的关系，而该实验方案无法完成对此问题的探究。

4.该方案中无法调节水平，若实验平台不是水平，则在探究摩擦力大小与正压力大小之间的关系时也会有较大误差。

二、解决方案

笔者通过认真分析发现：如果将弹簧秤固定在一个水平的凹槽里即可解决传统方案中的弹簧秤固定的困难；如果将水平的木板改为一个水平传送带即可解决弹簧秤读数困难的问题；如果使传送带的运动速度可调就可以很好地解决探究相对速度和摩擦力大小的关系问题。基于上述分析，笔者对实验进行了改进，制作了摩擦力实验器，有效地克服了上述缺点，取得了很好的实验效果。

三、仪器的制作

本仪器的主体结构包括一个水平传送带装置和一个水平固定的凹槽。

1.水平凹槽由一段长30mm、内径为20mm的不锈钢管和由不锈钢板压制成型的凹槽连接而成。在不锈钢管上钻孔并焊接一个内径为8mm的螺帽，用来将凹槽固定在竖直的不锈钢柱上。弹簧秤则用凹槽固定，这样就很好地保证了弹簧秤的水平。

2.水平传送带装置由一个底座、四个支架、转动轮轴以及皮带四部分组成，其结构见下图。底座采用10mm的角钢作为材料焊接成为一个2500mm×400mm的矩形框。支架用4mm的角钢焊接成梯形状，其尺寸如图所示，支架用螺丝与底座相固接，底座上有一边的落实孔带有调节功能，可以调节皮带的松紧。

3.皮带轮用4个带有固定轴的轴承与支架固定，其稳定效果好，转动阻力小，皮带由750mm长的砂带分割成两条制成，砂带的软硬程度合适，在实验中可以有效避免因为皮带形变而对滑块滑动造成影响，同时也使实验的稳定性能增加。

4.水平凹槽套在固定于底座上的一根竖直杆上，其高度可以任意调节，本设计可保证在改变滑块的放置方式时，能方便地调节弹簧秤拉钩的水平。

四、实验方法

本实验器材除了可进行“滑动摩擦力大小的影响因素”的探究实验外，还可以进行静摩擦大小的探究。具体实验方法和操作如下：

实验1【研究滑动摩擦力的影响因素】

1.把木块水平放置在皮带上，调节水平凹槽的高度，使弹簧秤的拉钩与滑块在同一水平线上，转动手柄，当滑块稳定于皮带上时读取弹簧秤读数即可测出滑动摩擦力的大小，改变滑块的放置方式，从而改变接触面积，重复上述实验，再次测出滑动摩擦力的大小。比较可知，两次读数相同，即可得出“滑动摩擦力与接触面积无关”。

2.在滑块上放置不同质量的砝码，再次实验，分别读取弹簧秤读数。比较各次读数和压力的关系，即可得出“摩擦力与正压力成正比”。

3.在木板上分别固定薄布、绒布、砂纸，把滑块水平放置在皮带上转，待木块静止后，分别读取弹簧秤读数。比较三次读数，即可得出摩擦力大小与接触面粗糙程度的关系。

4.改变转动手柄的转动快慢，可探究滑动摩擦力与相对运动速度大小的关系。

实验2【研究静摩擦力的大小和方向】

静摩擦力存在最大值，把滑块置于皮带上，缓慢转动手柄，使皮带和滑块间有相对运动的趋势，并保持滑块和皮带间相对静止，观察弹簧秤读数；逐渐加大拉力，保持滑块和皮带间的相对静止，再次读取弹簧秤读数，直至达到最大静摩擦力。由于在这期间滑块总是处于平衡状态，且水平方向只受到拉力和静摩擦力的作用，所以很容易地就能突破“在达到最大静摩擦力之前，静摩擦力的大小总是和外力的大小相等（随外力的变化而变化），其方向总是和相对运动的趋势方向相反”这一力学中的难点。进一步增大拉力，在达到最大静摩擦力之后，滑块和皮带间开始出现相对滑动，说明静摩擦力存在一个最大值。

五、总结反思

本实验器材的改进，有效地突破了传统实验装置给实验带来的困难，从教学实践出发，利用身边的器材和材料，大胆地改进实验装置，在实际教学中取得了很好的实验效果，大大地提高了教学过程的有效性，提高了教学效率。本器材取材方便，制作工艺比较简单，器材成本低，能满足一般中学自制教具的要求，因此具有较好的推广价值。

参考文献

1.普通高中课程标准实验教科书物理必修1：.教育科学出版：2005年11月第1版.

2.人民教育出版社物理室.中等师范学校教科书（试用本）物理学第一册.北京：人民教育出版社，1995.

3.《教材解析》物理必修1：宁夏人民教育出版社2012年5月出版

（作者单位：四川省南充高级中学）