《靜摩擦力實驗探究》
摘 要：以注射器和水為例,介紹了利用電子天平定量探究靜摩擦力的方法.實驗通過2臺電子天平示數的變化進而判斷靜摩擦力的方向和大小變化,同時還驗證了牛頓第三定律.
關鍵詞：
靜摩擦力; 電子天平; 牛頓第三定律;
作者簡介：陳芳(1994-),女,江蘇崑山人,崑山市新鎮中學物理教師,學士,從事中學物理教學.
作者簡介：拾景忠(1959-),男,江蘇徐州人,江蘇師範大學教師教育學院高級實驗師,學士,從事物理實驗教學和研究.
高一學生在初中階段已經學習過摩擦力,知道摩擦力的概念及分類,但初中所學的摩擦力的概念只說明了滑動摩擦力,而且由於相對運動趨勢不好觀測,以及靜摩擦力本身「動中有靜,靜中有動,若有若無,方向不定」的特點[1],容易造成學生在靜摩擦力方向和大小變化的理解和判斷上存在困難.為此,設計了定量探究靜摩擦力方向和大小變化的實驗裝置,幫助學生有效地突破本節課的難點,同時定量地驗證了靜摩擦力滿足牛頓第三定律[2],為今後學習牛頓運動定律奠定基礎.
1 實驗器材
2臺型號相同(精度為0.1g)的電子天平1和靜摩擦力;2(分別置於升降臺和桌上)、1個固定裝置、1個升降臺、1個注射器(50mL)、1個燒杯(250mL)、塑膠袋、砝碼、細線、鐵絲、鐵鉤.
2 以注射器為例研究靜摩擦力
2.1 實驗操作
1)將固定裝置放置在電子天平1上,並對2臺電子天平校零.
2)如圖1所示,將注射器分為2部分:空筒和活塞(活塞、活塞軸、活塞柄統稱為活塞).在空筒內固定質量為50g的砝碼,增加自重並與固定裝置相連接,用鐵絲將活塞與重物相連並置於電子天平2上,實驗開始時,空筒與活塞相分離,同時記錄此時2臺天平的示數,即空筒與活塞的質量,作為本次實驗的初始值.
3)將活塞套進空筒內,調節升降臺,使繩子不斷拉緊,同時記錄幾組電子天平1和2的示數,並將這幾組數據分別減去其初始值,比較其變化值(如表1所示).
圖1 以注射器為例研究靜摩擦力實驗裝置
表1 以注射器為例研究靜摩擦力實驗數據
4)緩慢向上提空筒,觀察電子天平2的示數變化,粗略估計最大靜摩擦力的大小.
注:由於活塞的橡皮塞容易變型,在實驗過程中天平示數容易變化,可採用手機拍照等方法同時記錄2臺電子天平的示數.
2.2 實驗分析
1)分析靜摩擦力方向.分別對注射器的空筒和活塞進行受力分析.在豎直方向上,空筒受到繩子向上的拉力F、自身向下的重力G以及與活塞間的靜摩擦力f1,3個力的作用下處於平衡狀態.
當F<G時(表1中第1~3組數據),空筒在豎直方向上所受除靜摩擦力以外的合外力方向向下,即有相對於活塞向下的運動趨勢,由力的平衡知識得,此時活塞對空筒的靜摩擦力方向向上(如圖2所示),即與本身相對運動趨勢相反.
圖2 F<G時空筒受力分析圖
當F=G時(表1中第4組數據),空筒在該二力作用下處於平衡狀態,無相對運動趨勢,即不受靜摩擦力作用.
當F>G時(表1中第5~7組數據),空筒在豎直方向上所受除靜摩擦力以外的合外力方向向上,即有相對於活塞向上的運動趨勢,由力的平衡知識得,此時活塞對空筒的靜摩擦力方向向下(如圖3所示),即與本身相對運動趨勢相反.
圖3 F>G時空筒受力分析圖
總結可得,空筒所受靜摩擦力的方向總是與物體所受除靜摩擦力以外的合外力方向相反,即與物體本身相對運動趨勢方向相反.同樣對活塞進行分析也可得到相同的結論,且f2始終與f1方向相反.
2)分析靜摩擦力大小.調節升降臺,發現電子天平1的讀數不斷增大,說明空筒所受繩子的拉力F不斷增大,當F<G時,|F-G|不斷減小,|Δm1|所受的重力就是|F-G|,即活塞對空筒靜摩擦力f1的大小,數據表明f1隨著|F-G|的減小而減小;
當F=G時,空筒在該二力作用下處於平衡狀態,此時|Δm1|為0,即不受靜摩擦力作用;
當F>G時,|F-G|不斷增大,此時Δm1也不斷增大,即表明f1隨著除靜摩擦力以外的合外力的增大而增大.
同樣的,發現電子天平2的讀數不斷減小,說明活塞所受到的支持力N不斷減小,Δm2所受的重力是支持力N與活塞的重力的差值,即空筒對活塞的靜摩擦力f2的大小,對第1~3組、第4組和第5~7組數據分別分析發現,靜摩擦力的大小總是隨著物體所受除靜摩擦力以外的合外力大小的增大而增大.
3)分析靜摩擦力滿足牛頓第三定律.計算表明:2個天平示數變化的絕對值Δm1與Δm2始終相等,即活塞對空筒靜摩擦力f1與空筒對活塞的靜摩擦力f2大小始終相等;變化值的正負代表方向,負號代表向上,正號代表向下,即f1與f2方向始終相反.所以,空筒靜摩擦力f1與空筒對活塞的靜摩擦力f2是1對作用力與反作用力,滿足牛頓第三定律.
4)估測最大靜摩擦力.當直接用手緩慢向上提空筒時,發現電子天平2的讀數不斷減小,但在減小到200g附近時讀數會突然增大,此時可以估測最大靜摩擦力約為1.901N,說明靜摩擦力的大小存在一定變化範圍(本次實驗約為0~1.901N),而且最大靜摩擦力大於滑動摩擦力.
3 以水為例研究靜摩擦力
3.1 實驗操作
1)將固定裝置放置在電子天平1上,此時對2臺電子天平校零.
2)如圖4所示,在固定裝置上懸掛1隻塑膠袋(已加入適量的水),在電子天平2上放置1隻空燒杯,為了增加燒杯自重,放入質量為150g的砝碼,同時記錄此時2臺天平的示數,即塑膠袋與燒杯的質量,作為本次實驗的初始值.
圖4 以水為例研究靜摩擦力實驗裝置
3)將裝有水的塑膠袋放入燒杯內,調節升降臺,使繩子不斷拉緊,記錄此時幾組電子天平1和2的示數,並將這幾組數據分別減去其初始值,比較其變化值(如表2所示).
表2 以水為例研究靜摩擦力實驗數據
3.2 實驗分析
與注射器的空筒和活塞間的靜摩擦力分析相類似,對塑膠袋和燒杯進行受力分析,結合表2中的第1~4組數據、第5組和第6~8組數據,發現靜摩擦力的方向總是與物體相對運動趨勢方向相反,其大小隨著在豎直方向上的合外力大小值的增大而增大,但其變化存在一定範圍,並且最大靜摩擦力大於滑動摩擦力.另外,燒杯對塑膠袋的靜摩擦力和塑膠袋與水對燒杯的靜摩擦力始終大小相等、方向相反,是1對作用力與反作用力,滿足牛頓第三定律.
4 結束語
根據以上的實驗分析,通過定量的方法探究了靜摩擦力的大小和方向,並說明了靜摩擦力是成對出現的,即一對作用力與反作用力,它們同樣滿足牛頓第三定律.本實驗藉助2臺電子天平來讀數巧妙地將抽象問題化為具體問題,操作簡單,結果直觀,符合高一學生的認知規律,有效地突破了本節課的難點.另外,教師可以通過該實驗鼓勵學生多思考,多利用身邊的隨手可得的物品、儀器設計小實驗來解決學習和生活中的困難,感受物理無處不在!
本文轉載於《物理實驗》2016年12期