如何應對“測定動摩擦因數”實驗
——兼論高中物理實驗教學

馬 輝

（江蘇省豐縣中學 江蘇 徐州 221700）

物理學是一門以實驗為基礎的學科，實驗既是物理學的基礎，也是學習物理的重要部分.實驗既是落實物理課程目標，全面提高學生科學素養(yǎng)的重要途徑，也是物理課程改革的重要資源，更是實現(xiàn)學生學習方式轉變的重要載體.目前，設計型實驗已成為高考物理實驗的新熱點，它要求學生將已掌握的物理知識和實驗技能創(chuàng)造性地應用到新的實驗情境中，由題設條件自行選定實驗原理，確定實驗方案，選擇合適的器材去研究物理現(xiàn)象，探究物理規(guī)律，或測定物理量的值.設計實驗是對學生綜合處理實際問題和創(chuàng)造性思維能力的檢驗.本文針對“測定動摩擦因數”這一實驗的近兩年的有關高考題進行歸納說明，從而悟出高中物理實驗教學的規(guī)律.

1 平衡類測法

方案1：圖1表示用同一套器材測量鐵塊P與長金屬板間的動摩擦因數的兩種不同方法.已知鐵塊P所受的重力大小為5N.圖1（a）使金屬板靜止在水平桌面上，用手通過彈簧測力計向右用力F拉P，使P向右運動；圖1（b）把彈簧測力計的一端固定在墻上，用力F水平向左拉金屬板，使金屬板向左運動.

兩種方法比較，你認為哪種方法可行？_____.你判斷的理由是______.

圖中已把兩種方法中彈簧測力計的示數（單位：N）情況放大畫出，則鐵塊P與金屬板Q間的動摩擦因數的大小是______.

圖1

解析：以鐵塊P為研究對象，顯然，在圖1（a）所示方法下，彈簧測力計對鐵塊P的拉力只有在鐵塊勻速前進時才等于滑動摩擦力的大小，但操作上很難保證鐵塊P勻速前進.而在圖1（b）所示方法下，不論金屬板如何運動，鐵塊P總是處于平衡狀態(tài)（靜止），彈簧測力計的示數等于鐵塊所受摩擦力的大小，故圖1（b）所示方法切實可行，由圖可知鐵塊所受摩擦力為Ff＝2.4N.由于鐵塊在水平方向運動，其在豎直方向受力平衡.其正壓力在數值上等于鐵塊所受的重力大小，即

代入數據得

說明：本方案來源于現(xiàn)行教材內習題中測定物體與水平面間的動摩擦因數的方法，此例將習題轉變?yōu)閷嶒灧桨甘强少F之處.

方案2：將細線的一端系在木板上，另一端系在測力計上，在靜止時測出木塊重為G，將木塊放在斜面上，用測力計沿平行于斜面方向向上勻速拉動木塊，記下測力計讀數F1，接著用測力計向下勻速拉動木塊，記下測力計讀數F2.求木塊與木板之間的動摩擦因數.

解析：設斜面傾角為θ，有

說明：本方案把現(xiàn)行教材中的習題，在水平面上測動摩擦因數的方法創(chuàng)造性地遷移到斜面上，并成功地運用了逆向思維，沿斜面向上、向下拉，從而解決問題.

2 牛頓定律類測法

方案1：（2011年高考重慶卷）某同學設計了如圖2所示的裝置，利用米尺、秒表、輕繩、輕滑輪、軌道、滑塊、托盤和砝碼等器材來測定滑塊和軌道間的動摩擦因數μ.滑塊和托盤上分別放有若干砝碼，滑塊質量為M，滑塊上砝碼總質量為m′，托盤和盤中砝碼的總質量為m.實驗中，滑塊在水平軌道上從A到B做初速為零的勻加速直線運動，當地重力加速度g取10m／s2.

（1）為測量滑塊的加速度a，須測出它在A，B間運動的______與______，計算a的運動學公式是______；

（2）根據牛頓運動定律得到a與m的關系為

圖2

他想通過多次改變m，測出相應的a值，并利用上式來計算μ.若要求a是m的一次函數，必須使上式中的______保持不變，實驗中應將從托盤中取出的砝碼置于______；

（3）實驗得到a與m的關系如圖3所示，由此可知μ＝______（取兩位有效數字）.

圖3

解析：（1）滑塊在水平軌道上從A到B做初速為零的勻加速直線運動，根據s＝at2，得a＝，所以需要測量的是位移和時間.

（2）根據整體法有

在2012年高考山東試卷中，就將此方案改為：當重物落地后測物塊減速運動的加速度，用μ＝來計算物塊與桌面間的動摩擦因數，則計算結果比動摩擦因數的真實值偏大.

方案2：一打點計時器固定在斜面上某處，一小車拖著穿過打點計時器的紙帶從斜面上滑下（圖4），圖5是打出紙帶的一段，其中g為當地重力加速度.

圖4

圖5

（1）已知打點計時器使用的交流電頻率為50 Hz，利用圖5給出的數據可求出小車下滑的加速度a＝______.

（2）為了求出小車在下滑過程中所受的阻力，還需測量的物理量有______.用測得的量及加速度a表示動摩擦因數的計算公式為μ＝______.

解析：從紙帶可以很方便地計算出

由牛頓第二定律可以寫出加速度的表達式

可見，還需要知道斜面傾角的正弦和余弦值.可利用直尺測出斜面上任意兩點間的距離l及這兩點的豎直高度h，有

化簡得

說明：本方案也可不用打點計時器，而用秒表（或光電門）測出下滑時間t，用米尺測出斜邊長s，及斜面高h.有

方案3：（2011年高考山東卷）某探究小組設計了“用一把尺子測定動摩擦因數”的實驗方案.如圖6所示，將一個小球和一個滑塊用細繩連接，跨在斜面上端.開始時小球和滑塊均靜止，剪斷細繩后，小球自由下落，滑塊沿斜面下滑，可先后聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音.保持小球和滑塊釋放的位置不變，調整擋板位置，重復以上操作，直到能同時聽到小球落地和滑塊撞擊擋板的聲音，用刻度尺測出小球下落的高度H，滑塊釋放點與擋板處得高度差h和沿斜面運動的位移x.（空氣阻力對本實驗的影響可以忽略）

（1）滑塊沿斜面運動的加速度與重力加速度的比值為______.

（2）滑塊與斜面間的動摩擦因數為______.

（3）以下能引起實驗誤差的是______.

a.滑塊的質量

b.當地重力加速度的大小

c.長度測量時的讀數誤差

d.小球落地和滑塊撞擊擋板不同時

圖6

解析：滑塊沿斜面勻加速運動

小球自由落體

因時間相同，所以

滑塊受重力和滑動摩擦力作用，由牛頓第二定律

質量和當地重力加速度都被約掉，不會引起誤差.

說明：此方案巧妙之處在于不用打點計時器或秒表而用一把尺子測μ，從而避免測時間誤差，借助滑塊與自由落體物體的運動時間相同，達到目的.

3 功能關系類測法

方案1：用同種材料的木板構建如圖7所示的斜面AB，平面BD，兩面在B點接觸良好且為弧形.讓木塊從A點由靜止滑下，最后滑到C點而靜止，用刻度尺量得斜面AB的長L1，高H，BC長L2.求物塊與接觸面材料之間的動摩擦因數.

圖7

解析：由功能關系

說明：本方案的設計立足于能量觀點，并把平面和斜面有機、巧妙地結合在一起，不僅問題情境新，而且起點高，是一個極有創(chuàng)意的方案，同時，也可只測斜面高H和AC間水平距離s，則

方案2：為測定木塊與桌面之間的動摩擦因數，小亮設計了如圖8（a）所示的裝置進行實驗.實驗中，當木塊A位于水平桌面上的O點時，重物B剛好接觸地面.將A拉到P點，待B穩(wěn)定后靜止釋放，A最終滑到Q點.分別測量OP，OQ的長度h和s.改變h，重復上述實驗，分別記錄幾組實驗數據.

（1）實驗開始時，發(fā)現(xiàn)A釋放后會撞到滑輪，請?zhí)岢鰞蓚€解決方法.

（2）請根據圖1（b）表的實驗數據在圖1（c）作出s-h關系的圖像.

（3）實驗測得A，B的質量分別為m＝0.4kg，M＝0.5kg.根據s-h圖像可計算出A木塊與桌面間的動摩擦因數＝______（結果保留一位有效數字）.

（4）實驗中，滑輪軸的摩擦會導致μ的測量結果______（選填“偏大”或“偏小”）.

圖8

圖9

解析：（1）木塊A撞到滑輪是因為木塊A運動到滑輪位置時速度不為零，若A不能撞到滑輪應減小繩子的拉力，即減小B的質量；或增加細繩的長度使木塊A的初始位置遠離滑輪；（2）利用描點作圖法畫出s-h的圖像（圖9）；（3）在M下落h的過程中，對系統(tǒng)利用動能定理得

M落地后以木塊A為研究對象，有

（4）由于滑輪軸的摩擦，所以（3）中表示出的摩擦力μmg實際含有滑輪軸的摩擦力，即

所以，滑輪軸的摩擦力導致μ的測量結果偏大.

說明：本方案的設計立足于運用動能定理，并把不同研究對象的運用有機巧妙地結合在一起，不僅問題情境新，而且起點高，是一個極有創(chuàng)意的方案.同時考查利用圖像處理數據，意在考查考生的實驗探究能力.

可見，將學生實驗的原理和方法進行遷移的設計型實驗，對培養(yǎng)學生的發(fā)散思維、創(chuàng)新意識意義重大.因此，在實驗教學中，我們應當對實驗進行創(chuàng)新、完善、拓展，注重實驗過程教學，增強實驗的探索性、綜合性，使之更貼近對實際問題的解決，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力.同時，在實驗的各個環(huán)節(jié)不失時機地從多角度進行設問，最大限度地啟發(fā)學生的思維和發(fā)展學生的創(chuàng)新能力.

總之，通過對最近幾年物理實驗試題的分析，單靠記憶知識和套用模型解題已不可能在高考中取得好成績.在實驗題中考查學生的遷移能力和創(chuàng)新思維能力仍是今后命題的方向，教師要避免單純的師講生學的教學方式，把實驗教學真正變?yōu)閷W生探究知識、訓練能力的平臺，引導學生通過各種形式的學習過程去形成自己的深刻體驗，在過程中感悟，從而構建對事物的個人看法，形成“以實驗為基礎，以思維為中心，以過程為主線，以變式為手段”的探究新方式.