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摘 要：在定量探究“影响摩擦力大小因素”的实验中，存在“弹簧测力计的精度低、长木板的装置笨、接触面材料的改变不方便”等不足.用电子秤替代弹簧测力计，提高了测量精度;用传送带替代长木板，减小了仪器体积;用电动机代替手摇柄，使实验装置的性能更加稳定.双面胶容易更换接触面的材料，压块和定滑轮使电子秤的功能由测质量扩展到测摩擦力和动摩擦因数乃至能够判断电动小车前后轮所受摩擦力的方向.
关键词：摩擦力;探究实验;创新设计
文章编号：1008-4134（2019）14-0020中图分类号：G633.7文献标识码：B
生活中的摩擦力随处可见，学生对此兴趣很浓，以学生熟悉的电动自行车为例（如图1）：轮胎上刻有花纹、车轮做成圆形、塑料套紧套在把手上、转动部分添加润滑油、脚踏板凹凸不平、刹车时用力捏闸、车轴处装有滚珠、车的把手上有凹槽……，都是工程师们对摩擦力的巧妙应用.
为了进一步激发学生参与学习与研究的兴趣，就要进一步引导学生去挖掘摩擦力存在的意义与价值，我们虽然无法随心所欲地控制摩擦，但我们能寻找它的规律并巧妙地使它发挥最大的作用[1].笔者就利用课余时间，和学生们一起探索摩擦力，并引导学生开启摩擦力探究的创新实验，怎样探究摩擦力的规律呢？如何测量其大小？怎样判断其方向？其实验装置又如何设计？等等……
1 摩擦力大小的测量设计
1.1 传统的装置设计
（1）测量原理：传统的测量原理如图2所示，用弹簧测力计匀速拉动物块，与水平接触面发生相对滑动，弹簧测力计的示数就等于物块所受摩擦力的大小.其中的图A为初中物理教材上的插图，图B为改进后的实验装置.改进后的弹簧测力计与物块被固定在装置上.拉动长板，虽然物块和长板之间发生了相对滑动，但是弹簧测力计与物块保持静止，既避免了匀速拉木块的难度，又摆脱了弹簧测力计运动时的读数困难.
（2）装置实物：物块采用长方体木块，其平面、侧面、立面设置了能放置钩码的圆孔，可方便地改变受力面积，如图3所示.将不同个数的50g钩码置于木块上表面的圆孔中，能方便地改变压力的大小，实物如图4所示.改进后装置如图5所示.
（3）存在问题：图5装置虽解决了图4的不足，但还存在下列问题：①由于长板较长，该装置的整体显得比较庞大，随身携带不便;②该装置作为定性研究是可行的，但作为定量探究影响摩擦力大小的因素是有困难的.尤其是弹簧测力计的分度值较大，导致测得的精度较低.而且改变接触面的材料也不方便.凡此种种，必须对图5所示装置进行创新设计.
1.2 装置的创新设计
我们经历了下列三个层次的进阶过程：
（1）传送带代替长木板，减小装置长度：木块通过细线与固定在装置上的弹簧测力计相连，传送装置通过摇动用自来水管及其接口制成的摇柄使转轴转动，带动传送带在水平方向移动.传送带与静止的木块发生相对滑动，其实物装置如图6所示.装置的长度明显减小，能够随身携带.
（2）电子秤代替测力计，提高测量精度：该弹簧测力计的分度值为0.1N，精度较低.电子秤的精度为10-2g，转换为测力计后，其精度为10-4N，是弹簧测力计的1000倍，可以定量探究摩擦力的相关规律.其实物装置如图7所示.木块与传送带之间的摩擦力通过定滑轮、压块，传递到电子秤，显示屏可直接显示出摩擦力的大小.压块的作用扩大了电子秤的测量功能，能测量拉力.定滑轮的作用是改变力的方向，使水平方向的摩擦力转化为竖直方向的拉力.压块置于电子秤的秤盘上后清零，摇动手摇柄，显示屏的示数就是摩擦力的大小，再通过换算系数×10-2，单位为N.
（3）电动机代替手摇柄，变手动为电动：手动的操作不方便，装置的稳定性不够.因此对传送装置进行再创新，成为第三代产品，其实物如图8所示.为减小转轴的摩擦，采用轴承传动，电动机带减速装置，使传送带缓慢运动，增强了装置的稳定性.电动机的主轴通过皮带轮与传送装置的转轴相连.相比而言，电动型结构更优，体积更小，操作更易，性能更好，更适合于对摩擦力的定量探究.实现了真正意义上的装置创新[2].
2 摩擦力方向的判断设计
2.1 滑动摩擦力的方向判断
（1）设计原理：让牙刷与手面作相对运动，其运动方向或相对运动趋势的方向用箭头的指向表示，如图9所示.当牙刷有相对于手面向右（左）运动时，产生的摩擦就是滑动摩擦，牙刷毛发生形变的方向向左（右）.当牙刷相对于手有向右（左）运动的趋势时，产生的摩擦就是静摩擦，牙刷毛发生形变的方向也向左（右）.而牙刷毛发生形变的方向就是牙刷所受摩擦力的方向.由此可以得出：摩擦力的方向与物体相对运动的方向或相对运動的趋势方向相反.
（2）应用实例：我们用一个家用的普通毛刷与一个小马达连接起来，再用一个棉签或扇叶来调节它的运动速度，就创新成了一个无轮电动小车，其实物如图10所示.在控制棉签弯曲程度的基础上，闭合开关，电动小车就会作曲线运动，观察毛刷的形变方向，就能判断电动小车运动过程中所受摩擦力的方向是如何变化的.
2.2 车轮摩擦力的方向判断
（1）设计原理：将电动玩具小车A代表自行车或汽车，其装置模型如图11所示.红色轮子为主动轮，设置在后轮，并居中放在二个装有小轮子的长板B和C上.闭合小车开关，使其向右（前）运动，发现长板C也在向右（前）运动，而长板B却在向左（后）运动，说明长板B受到一个向左（后）的作用力，由于力的作用是相互的，主动轮受到一个向右（前）力的作用，这个力就是摩擦力，力的方向与该小车的运动方向相同，同理可知：小车A的前（从动）轮受到的摩擦力的方向向左（后）.即自行车的后轮受到摩擦力（静摩擦）的方向向前，与自行车运动的方向一致，这个摩擦力（静摩擦）才是使自行车前进的动力.前轮受到摩擦力（滚动摩擦）的方向向后，与自行车运动的方向相反，是阻力.
关键词：摩擦力;探究实验;创新设计
文章编号：1008-4134（2019）14-0020中图分类号：G633.7文献标识码：B
生活中的摩擦力随处可见，学生对此兴趣很浓，以学生熟悉的电动自行车为例（如图1）：轮胎上刻有花纹、车轮做成圆形、塑料套紧套在把手上、转动部分添加润滑油、脚踏板凹凸不平、刹车时用力捏闸、车轴处装有滚珠、车的把手上有凹槽……，都是工程师们对摩擦力的巧妙应用.
为了进一步激发学生参与学习与研究的兴趣，就要进一步引导学生去挖掘摩擦力存在的意义与价值，我们虽然无法随心所欲地控制摩擦，但我们能寻找它的规律并巧妙地使它发挥最大的作用[1].笔者就利用课余时间，和学生们一起探索摩擦力，并引导学生开启摩擦力探究的创新实验，怎样探究摩擦力的规律呢？如何测量其大小？怎样判断其方向？其实验装置又如何设计？等等……
1 摩擦力大小的测量设计
1.1 传统的装置设计
（1）测量原理：传统的测量原理如图2所示，用弹簧测力计匀速拉动物块，与水平接触面发生相对滑动，弹簧测力计的示数就等于物块所受摩擦力的大小.其中的图A为初中物理教材上的插图，图B为改进后的实验装置.改进后的弹簧测力计与物块被固定在装置上.拉动长板，虽然物块和长板之间发生了相对滑动，但是弹簧测力计与物块保持静止，既避免了匀速拉木块的难度，又摆脱了弹簧测力计运动时的读数困难.
（2）装置实物：物块采用长方体木块，其平面、侧面、立面设置了能放置钩码的圆孔，可方便地改变受力面积，如图3所示.将不同个数的50g钩码置于木块上表面的圆孔中，能方便地改变压力的大小，实物如图4所示.改进后装置如图5所示.
（3）存在问题：图5装置虽解决了图4的不足，但还存在下列问题：①由于长板较长，该装置的整体显得比较庞大，随身携带不便;②该装置作为定性研究是可行的，但作为定量探究影响摩擦力大小的因素是有困难的.尤其是弹簧测力计的分度值较大，导致测得的精度较低.而且改变接触面的材料也不方便.凡此种种，必须对图5所示装置进行创新设计.
1.2 装置的创新设计
我们经历了下列三个层次的进阶过程：
（1）传送带代替长木板，减小装置长度：木块通过细线与固定在装置上的弹簧测力计相连，传送装置通过摇动用自来水管及其接口制成的摇柄使转轴转动，带动传送带在水平方向移动.传送带与静止的木块发生相对滑动，其实物装置如图6所示.装置的长度明显减小，能够随身携带.
（2）电子秤代替测力计，提高测量精度：该弹簧测力计的分度值为0.1N，精度较低.电子秤的精度为10-2g，转换为测力计后，其精度为10-4N，是弹簧测力计的1000倍，可以定量探究摩擦力的相关规律.其实物装置如图7所示.木块与传送带之间的摩擦力通过定滑轮、压块，传递到电子秤，显示屏可直接显示出摩擦力的大小.压块的作用扩大了电子秤的测量功能，能测量拉力.定滑轮的作用是改变力的方向，使水平方向的摩擦力转化为竖直方向的拉力.压块置于电子秤的秤盘上后清零，摇动手摇柄，显示屏的示数就是摩擦力的大小，再通过换算系数×10-2，单位为N.
（3）电动机代替手摇柄，变手动为电动：手动的操作不方便，装置的稳定性不够.因此对传送装置进行再创新，成为第三代产品，其实物如图8所示.为减小转轴的摩擦，采用轴承传动，电动机带减速装置，使传送带缓慢运动，增强了装置的稳定性.电动机的主轴通过皮带轮与传送装置的转轴相连.相比而言，电动型结构更优，体积更小，操作更易，性能更好，更适合于对摩擦力的定量探究.实现了真正意义上的装置创新[2].
2 摩擦力方向的判断设计
2.1 滑动摩擦力的方向判断
（1）设计原理：让牙刷与手面作相对运动，其运动方向或相对运动趋势的方向用箭头的指向表示，如图9所示.当牙刷有相对于手面向右（左）运动时，产生的摩擦就是滑动摩擦，牙刷毛发生形变的方向向左（右）.当牙刷相对于手有向右（左）运动的趋势时，产生的摩擦就是静摩擦，牙刷毛发生形变的方向也向左（右）.而牙刷毛发生形变的方向就是牙刷所受摩擦力的方向.由此可以得出：摩擦力的方向与物体相对运动的方向或相对运動的趋势方向相反.
（2）应用实例：我们用一个家用的普通毛刷与一个小马达连接起来，再用一个棉签或扇叶来调节它的运动速度，就创新成了一个无轮电动小车，其实物如图10所示.在控制棉签弯曲程度的基础上，闭合开关，电动小车就会作曲线运动，观察毛刷的形变方向，就能判断电动小车运动过程中所受摩擦力的方向是如何变化的.
2.2 车轮摩擦力的方向判断
（1）设计原理：将电动玩具小车A代表自行车或汽车，其装置模型如图11所示.红色轮子为主动轮，设置在后轮，并居中放在二个装有小轮子的长板B和C上.闭合小车开关，使其向右（前）运动，发现长板C也在向右（前）运动，而长板B却在向左（后）运动，说明长板B受到一个向左（后）的作用力，由于力的作用是相互的，主动轮受到一个向右（前）力的作用，这个力就是摩擦力，力的方向与该小车的运动方向相同，同理可知：小车A的前（从动）轮受到的摩擦力的方向向左（后）.即自行车的后轮受到摩擦力（静摩擦）的方向向前，与自行车运动的方向一致，这个摩擦力（静摩擦）才是使自行车前进的动力.前轮受到摩擦力（滚动摩擦）的方向向后，与自行车运动的方向相反，是阻力.