《两种摩擦力实验的改进》创新物理实验设计

《两种摩擦力实验的改进》创新物理实验设计（一）、实验原理及实验装置的设计1、摩擦力演示滑块—静摩擦力和滑动摩擦力的实验演示装置（1）结构其结构如上图所示，主要由大滑块①、小滑块②、两个挂钩③、带触点的弹性金属片④、红色和绿色指示灯⑤（也可以用发光二极管来代替小灯），电池或电池组⑥。在中空的大滑块与内部的小滑块之间通过绞连相连接，小滑块底部略突出，与接触面直接接触，当两部分有相对运动时，弹性金属片受到挤压，使电路部分接通。外部开有两个箭头形的指示窗口（如外形图所示），右上角是内部电路原理图，是由两个发光二极管组成的并联电路，由弹性金属片组成开关K1、K2，（在不受挤压时开关处于断开状态）。（2）工作原理：当把整个装置静止放置在水平面上时，开关K1、K2处于断开状态，小灯L1、L2不发光，箭头窗口不指示，当向右拉动大滑块时，小滑块底部受到向左的摩擦力，此时小滑块还没动而大滑块有向右的相对运动，左侧开关K1受到挤压而接通，指示灯亮，显示箭头表示摩擦力向左；当向左拉动滑块时，同理，开关K2因受到挤压而接通，小灯指示箭头向右，表示受到了向右的摩擦力。此装置不仅可以指示滑动摩擦力的方向，也可以指示静摩擦力的方向。2、传送带装置如图所示如图，是在支架上固定两个木质滚轮，（轮子要保证能灵活地转动），在轮子上套一个闭合的传送带。装有摇把，可以用手转动摇把，带动传送带顺时或逆时转动，还可以随意改变的转动的快慢。以此来研究在放在传送带上的物体所受到的摩擦力（结构和原理如下图所示）。3、实验设计的背景摩擦力是学生在初中就学过的内容，但在实际判断中，学生存在一定的困难，这关键在于，缺少较为形象的物理模型。因而学生不能把理论与实际情境联系起来，在学生中往往存在一些错误认识，例如，摩擦力是否一定是阻力？是否只有静止的物体才受静摩擦力？对于这样的问题，如果没有有效的实验来创设情景，学生难以有更深刻的理解。一般地，很多老师是用一把毛刷，根据在运动中刷毛的倒伏来形象地反映摩擦力的方向与动动运趋势方向之间的关系。但是在实验中，现象还是不够明显，不能给学生留下深刻的印象。用摩擦力演示器则能更好地来演示这两种摩擦力。（二）、实验方法（或实验过程）（1）滑动摩擦力演示实验：如图是一个斜面和一段水平面连接组成的轨道，使一个小木块从顶端滑下，由学生来分析小木块受到的滑动摩擦力情况。整个装置上表面最好做得稍光滑一些，以便使木块在水平部分滑动的距离远一些，效果更明显一些。如果实验中所释放的不是普通木块，而是前面所述的摩擦力演示器，则可以在观察现象的同时更可以从指示灯的发光情况，体会滑动摩擦力的方向变化。这样会给学生留下很深刻的印象。（2）静摩擦力对于静摩擦力概念的引入，以往的实验是由一位同学用力推桌子，而桌子没动，表明在桌子与地面之间存在静摩擦力。这种方法也被很多教师所采用，可是实验完毕，学生对于相对运动和相对运动趋的理解依然较模糊。我采用以下实验方法：如下图，取一长木板放置在水平桌面上，将前面所述的摩擦力演示滑块放在长木板上，通过定滑轮用细绳与弹簧秤相连接，弹簧秤则竖直悬挂在铁架台上（弹簧秤宜采用刻度较大的演示用弹簧秤，便于大部分同学都能看清刻度的变化）。实验时最好是在滑块上放置一定重量的钩码，这样可以保证拉动木板时滑块不会立即运动，向右一边拉动木板一边让前面的同学读出数据。同学们会清楚地看到刚开始时有拉力而滑块却没滑动，表明存在静摩擦力，此时指示灯显示摩擦力方向向右。随着拉力增大滑块开始滑动，表明二者发生相对运动时存在滑动摩擦力，此时指示灯显示摩擦力方向仍然向右。（三）实验效果通过以上的装置，不仅可以使实验现象更形象直观，而且在有关传送带摩擦力问题上得到很好的应用。一个物体放在传送带上，随传送带一起运动，物体与传送带之间的摩擦力情况是怎样的呢？对于这类问题的认识，学生往往存在一定的认识误区。通过这个实验装置可以很好地使这一难点得以突破。为此，我设计丁一个小的传送带装置。使用时把传送带底座放置在水平桌面上（如下图所示），在旁边摆放一个斜面体，斜面的末端与传送带表面处于同一高度，且未端保持水平。演示1：将摩擦力演示滑块（以下简称滑块），从斜面上某一高度释放，使其沿斜面滑下，并落到静止传送带上，此时，传送带对滑块形成阻碍，指示灯显示摩擦力方向向左。如果传送带不是静止，而是以较慢的速度转运，则滑块滑下时，摩擦力指示方向仍向左。表明：当滑块的速度大于传送带运动速度时，滑块受到阻碍，所受的滑动摩擦力与运动方向相反。演示2：使传送带以一定速度缓慢匀速转动，将滑块从斜面上一定高度滑下，当滑块的末速度与传送带运动速度恰好相等时，指示灯不亮，表明当物体既没有相对运动又无相对运动趋势时，与传送带间无摩擦力。演示3：使传送带保持匀速运动，滑块从比刚才位置更高的位置滑下，此时滑块速度大于上一实验中的速度。当接触传送带时，此时，指示灯显示摩擦力方向向左。表明当物体运动速度大于传送带速度时，相对运动方向向右，滑块受到的摩擦力向左。同时可观察到当滑块刚接触到传送带时摩擦力向左，过一会儿，当与传送带一起运动且相对静止时，指示灯不亮，滑块不再受摩擦力。演示4：将传送带一端抬高一角度，如下图所示，把滑块放在传送带上使其随传送带一起被运送上去。可以先让学生判断摩擦力的性质及方向，做出受力分析，再观察指示灯的指示情况，与自已的判断作一对比。