摘要：对于“摩擦力”演示实验，教材中通常用弹簧测力计来拉木块。本文提出了一种有效的改进措施，利用力传感器代替弹簧测力计，由弹簧和步进电机提供均匀变化的水平拉力，在计算机屏幕上直接观测摩擦力的整个变化过程。本实验易于操作，可视面大，现象直观。
关键词：摩擦力；力传感器；步进电机；计算机技术
中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2008)5(S)-0053-3���
引言�
高中物理第一册“摩擦力”一节的教学中，关于静摩擦力的规律为:0≤f滑≤fmax，且最大静摩擦力fmax大于相应条件下的滑动摩擦力f滑，不少同学表示很难理解。人教版教材设计的演示实验是利用弹簧测力计来研究摩擦力的变化情况，该方法结构简单、操作方便［1］。但实验中用手拉弹簧，由于手的拉力不是均匀变化的，在拉动木块时既要保证测力计始终水平又要使木块匀速直线运动,很难做到，因此实验现象不明显，教学效果甚差［2］。�
随着科学技术的发展以及新课改的进行，要求把现代的技术和新方法应用到实验教学中。传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。而传感器是传感技术的一个重要组成部分，它是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件［3］。本文提出利用力传感器代替原有的弹簧测力计，由弹簧和步进电机提供均匀变化的水平拉力，重新设计实验装置，从而在计算机屏幕上直接观测到摩擦力的整个变化过程。改造后的实验可视面大，直观简便，使学生便于观察、容易理解。�
1 实验方法�
1.1 教材中的实验�
在摩擦力一节中，人教版第57页有演示实验，利用弹簧秤和木块探究摩擦力的变化情况，课本的介绍如下：�
把木块放在水平长木板上,用弹簧测力计沿水平方向拉动木块,在拉力F增大到一定值之前,木块不会运动。 �
在弹簧测力计的指针下轻塞一个小纸团,它可以随指针移动,并作为指针到达最大位置的标记(图1)。继续用力,当拉力到达某一数值fmax�时木块开始移动,此时拉力会突然变小到f0。拉力变化示意图见图2所示［1］。
利用弹簧测力计进行研究,虽然仪器简单,但操作要求较高,实验时必须匀速拉动木块,操作时很难做到,而且观察不方便,在控制木块匀速运动的时候还要读数,许多学生都无法迅速准确地完成。教材画出了摩擦力随拉力变化的情况，但这个变化在学生自己动手利用弹簧进行实验的过程中是很难直接观察出来的。鉴于此，我们提出了以下两种研究方法。�
1.2 实验方法一�
整个装置放于粗糙的水平桌面上，桌表面纹理应均匀，目的是为了使摩擦力恒定，得到稳定的图线。弹簧的功能是提供均匀变化的拉力，由于力传感器放于光滑的玻璃板上，力传感器与玻璃板间的摩擦力可以忽略不计，则弹簧的拉力大小近似等于物块所受到的外力。步进电机的转轴匀速转动，使得和其相连的弹簧缓慢被拉长，通过力传感器提供物块均匀变大的外力。而这个拉力大小变化情况可以通过力传感器转化为电信号，输入到计算机中，通过编制VB程序绘制图线动态显示摩擦力的整个连续变化过程。�
1.3 实验方法二�
如图4所示，将传感器的左端固定在桌子上，右侧与物块相连，物块放在小车上。将小车放于粗糙的水平桌面（表面纹理均匀）上。对小车而言,受到物块的静摩擦力及沙与沙桶通过绳子的拉力。由平衡条件及牛顿第三定律可得，利用沙漏增加沙桶的重力，从而改变物块所受到的静摩擦力，当小车开始运动之后，物块受到滑动摩擦力，通过力传感器及计算机技术显示物块所受到的摩擦力变化情况。�
2 实验过程及结果 �
下面以实验方法一（图3）为例，将实验过程及相应结果描述如下：�
2.1 实验过程�
①按图示要求连接装置,调节弹簧,使其水平并处于原长。�
②打开计算机软件，启动步进电机，在物块相对地面未滑动之前，观察屏幕上图线的变化情况，即为静摩擦力大小的变化。�
③步进电机转轴转动过程中，弹簧逐渐被拉长，物块受到的水平拉力增大，当物块恰要相对滑动时，观察图线所对应的值，即为最大静摩擦力fmax。�
④ 当物块滑动起来以后，观察此时图线的变化情况，即为滑动摩擦力f滑。�
2.2 实验结果�
由于实验中先开启软件采集数据再启动步进电机转动，力传感器对物块没有拉力（如图5AB段）。步进电机的转轴转动过程中，转轴对弹簧的拉力均匀变大，物块开始运动之前，一直处于静止状态，根据二力平衡的知识，物体所受的静摩擦力的大小应等于外力F的大小，所以静摩擦力也是均匀变大（如图5BC段）。但静摩擦力的增大是有限度的，当达到最大静摩擦力时物块刚好开始运动。理论上图线C点应立即降到D点，中间没有一个连续变化过程，而实验得到的图象并不是突变的，这是由于物块从静止变为运动，运动状态发生改变，其中必有一个加速过程，产生加速运动的合力是由拉力与滑动摩擦力的差值提供，此时传感器显示的是拉力大小，不是滑动摩擦力的大小。步进电机的转轴是匀速转动的，当物块加速到与电机拉绳速度一致时，物块匀速前进，此时力传感器对物块的拉力大小等于物块所受的滑动摩擦力，传感器显示的是滑动摩擦力的大小。通过图线的变化情况反映了摩擦力的整个变化过程。�
此外，运行软件出现的界面中设有菜单。“文件”菜单可以保存实验得到的图象及相应实验数据；“设置”菜单可以设置图象的单位刻度；“开始实验”菜单可启动步进电机，保证电机的同步进行。�
3 实验改进前后比较�
（1）原有实验通过弹簧测力计显示摩擦力的变化过程，可视面太小，后排学生根本无法观察，改进后的实验利用多媒体教室中现成的大屏幕投影，可视面大。�
（2）改进后的实验利用力传感器及计算机技术实时显示摩擦力的整个变化过程，以图线方式记录，摩擦力的变化过程一目了然，直观明了，更便于学生理解，显然有更好的教学效果。�
（3）原有实验操作要求高，只有有经验的教师方可拉出效果，学生参与度不高。改进后，使得过去条件下不易实施的实验也能轻松完成，不仅可以教师演示而且学生也可参与。�
4 结束语�
改进后的实验现象直观、操作方便，便于学生理解。结合现代传感技术和计算机技术，从而
让学生接触一些现代化的科技手段，提高学生实验兴趣，培养学生运用现代科技的能力。另外需要说明的是，本实验中计算机得到的图线是力传感器中拉力随时间变化的图线，而教材中画的是摩擦力随拉力变化的图线，横坐标代表的物理量不同，这一点在演示过程中应向学生说明。�
参考文献：�
［1］张大昌，张维善等.物理1必修�［M］.第二版.北京：人民教育出版社,2006:57-58�
［2］崔镇林,何玉花,李姝革.摩擦力实验的改进［J］.物理通报,2004(3)�
［3］丁镇生.传感器及传感技术应用［M］.北京：电子工业出版社，1999�
(栏目编辑王柏庐)