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《静摩擦力实验探究》 摘 要：以注射器和水为例,介绍了利用电子天平定量探究静摩擦力的方法.实验通过2台电子天平示数的变化进而判断静摩擦力的方向和大小变化,同时还验证了牛顿第三定律. 关键词： 静摩擦力; 电子天平; 牛顿第三定律; 作者简介：陈芳(1994-),女,江苏昆山人,昆山市新镇中学物理教师,学士,从事中学物理教学. 作者简介：拾景忠(1959-),男,江苏徐州人,江苏师范大学教师教育学院高级实验师,学士,从事物理实验教学和研究. 高一学生在初中阶段已经学习过摩擦力,知道摩擦力的概念及分类,但初中所学的摩擦力的概念只说明了滑动摩擦力,而且由于相对运动趋势不好观测,以及静摩擦力本身“动中有静,静中有动,若有若无,方向不定”的特点[1],容易造成学生在静摩擦力方向和大小变化的理解和判断上存在困难.为此,设计了定量探究静摩擦力方向和大小变化的实验装置,帮助学生有效地突破本节课的难点,同时定量地验证了静摩擦力满足牛顿第三定律[2],为今后学习牛顿运动定律奠定基础. 1 实验器材 2台型号相同(精度为0.1g)的电子天平1和静摩擦力;2(分别置于升降台和桌上)、1个固定装置、1个升降台、1个注射器(50mL)、1个烧杯(250mL)、塑料袋、砝码、细线、铁丝、铁钩. 2 以注射器为例研究静摩擦力 2.1 实验操作 1)将固定装置放置在电子天平1上,并对2台电子天平校零. 2)如图1所示,将注射器分为2部分:空筒和活塞(活塞、活塞轴、活塞柄统称为活塞).在空筒内固定质量为50g的砝码,增加自重并与固定装置相连接,用铁丝将活塞与重物相连并置于电子天平2上,实验开始时,空筒与活塞相分离,同时记录此时2台天平的示数,即空筒与活塞的质量,作为本次实验的初始值. 3)将活塞套进空筒内,调节升降台,使绳子不断拉紧,同时记录几组电子天平1和2的示数,并将这几组数据分别减去其初始值,比较其变化值(如表1所示). 图1 以注射器为例研究静摩擦力实验装置 表1 以注射器为例研究静摩擦力实验数据 4)缓慢向上提空筒,观察电子天平2的示数变化,粗略估计最大静摩擦力的大小. 注:由于活塞的橡皮塞容易变型,在实验过程中天平示数容易变化,可采用手机拍照等方法同时记录2台电子天平的示数. 2.2 实验分析 1)分析静摩擦力方向.分别对注射器的空筒和活塞进行受力分析.在竖直方向上,空筒受到绳子向上的拉力F、自身向下的重力G以及与活塞间的静摩擦力f1,3个力的作用下处于平衡状态. 当F<G时(表1中第1~3组数据),空筒在竖直方向上所受除静摩擦力以外的合外力方向向下,即有相对于活塞向下的运动趋势,由力的平衡知识得,此时活塞对空筒的静摩擦力方向向上(如图2所示),即与本身相对运动趋势相反. 图2 F<G时空筒受力分析图 当F=G时(表1中第4组数据),空筒在该二力作用下处于平衡状态,无相对运动趋势,即不受静摩擦力作用. 当F>G时(表1中第5~7组数据),空筒在竖直方向上所受除静摩擦力以外的合外力方向向上,即有相对于活塞向上的运动趋势,由力的平衡知识得,此时活塞对空筒的静摩擦力方向向下(如图3所示),即与本身相对运动趋势相反. 图3 F>G时空筒受力分析图 总结可得,空筒所受静摩擦力的方向总是与物体所受除静摩擦力以外的合外力方向相反,即与物体本身相对运动趋势方向相反.同样对活塞进行分析也可得到相同的结论,且f2始终与f1方向相反. 2)分析静摩擦力大小.调节升降台,发现电子天平1的读数不断增大,说明空筒所受绳子的拉力F不断增大,当F<G时,|F-G|不断减小,|Δm1|所受的重力就是|F-G|,即活塞对空筒静摩擦力f1的大小,数据表明f1随着|F-G|的减小而减小; 当F=G时,空筒在该二力作用下处于平衡状态,此时|Δm1|为0,即不受静摩擦力作用; 当F>G时,|F-G|不断增大,此时Δm1也不断增大,即表明f1随着除静摩擦力以外的合外力的增大而增大. 同样的,发现电子天平2的读数不断减小,说明活塞所受到的支持力N不断减小,Δm2所受的重力是支持力N与活塞的重力的差值,即空筒对活塞的静摩擦力f2的大小,对第1~3组、第4组和第5~7组数据分别分析发现,静摩擦力的大小总是随着物体所受除静摩擦力以外的合外力大小的增大而增大. 3)分析静摩擦力满足牛顿第三定律.计算表明:2个天平示数变化的绝对值Δm1与Δm2始终相等,即活塞对空筒静摩擦力f1与空筒对活塞的静摩擦力f2大小始终相等;变化值的正负代表方向,负号代表向上,正号代表向下,即f1与f2方向始终相反.所以,空筒静摩擦力f1与空筒对活塞的静摩擦力f2是1对作用力与反作用力,满足牛顿第三定律. 4)估测最大静摩擦力.当直接用手缓慢向上提空筒时,发现电子天平2的读数不断减小,但在减小到200g附近时读数会突然增大,此时可以估测最大静摩擦力约为1.901N,说明静摩擦力的大小存在一定变化范围(本次实验约为0~1.901N),而且最大静摩擦力大于滑动摩擦力. 3 以水为例研究静摩擦力 3.1 实验操作 1)将固定装置放置在电子天平1上,此时对2台电子天平校零. 2)如图4所示,在固定装置上悬挂1只塑料袋(已加入适量的水),在电子天平2上放置1只空烧杯,为了增加烧杯自重,放入质量为150g的砝码,同时记录此时2台天平的示数,即塑料袋与烧杯的质量,作为本次实验的初始值. 图4 以水为例研究静摩擦力实验装置 3)将装有水的塑料袋放入烧杯内,调节升降台,使绳子不断拉紧,记录此时几组电子天平1和2的示数,并将这几组数据分别减去其初始值,比较其变化值(如表2所示). 表2 以水为例研究静摩擦力实验数据 3.2 实验分析 与注射器的空筒和活塞间的静摩擦力分析相类似,对塑料袋和烧杯进行受力分析,结合表2中的第1~4组数据、第5组和第6~8组数据,发现静摩擦力的方向总是与物体相对运动趋势方向相反,其大小随着在竖直方向上的合外力大小值的增大而增大,但其变化存在一定范围,并且最大静摩擦力大于滑动摩擦力.另外,烧杯对塑料袋的静摩擦力和塑料袋与水对烧杯的静摩擦力始终大小相等、方向相反,是1对作用力与反作用力,满足牛顿第三定律. 4 结束语 根据以上的实验分析,通过定量的方法探究了静摩擦力的大小和方向,并说明了静摩擦力是成对出现的,即一对作用力与反作用力,它们同样满足牛顿第三定律.本实验借助2台电子天平来读数巧妙地将抽象问题化为具体问题,操作简单,结果直观,符合高一学生的认知规律,有效地突破了本节课的难点.另外,教师可以通过该实验鼓励学生多思考,多利用身边的随手可得的物品、仪器设计小实验来解决学习和生活中的困难,感受物理无处不在! 本文转载于《物理实验》2016年12期 |
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