“動(dòng)態(tài)平衡條件下測力實(shí)驗(yàn)”再探究

趙信智

1 分子力實(shí)驗(yàn)

高中物理課本中有關(guān)分子力的小實(shí)驗(yàn)，其表述是：用細(xì)線把很干凈的玻璃板吊在彈簧秤下面，記下彈簧秤的示數(shù)。使玻璃板水平接觸水面，然后稍稍用力向上拉玻璃板，如圖1所示，彈簧秤的示數(shù)有什么變化？解釋產(chǎn)生這個(gè)變化的原因？筆者通過多次實(shí)驗(yàn)難以觀察彈簧秤的示數(shù)變化，并且不能準(zhǔn)確測量分子力的大小。

1.1 不能準(zhǔn)確測量力的原因

（1）用手通過彈簧秤拉玻璃板，是一種動(dòng)態(tài)平衡條件下測力大小實(shí)驗(yàn)，彈簧秤示數(shù)時(shí)刻在變化。

（2）讀數(shù)的大小并不能保證就是玻璃板將要離開水面時(shí)的受力大小。

（3）玻璃板離開水面時(shí)，極易使水面產(chǎn)生波動(dòng)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.2.2 操作過程

把彈簧秤A懸掛在天花板上，毛玻璃板B重1 N，長4cm寬3cm，用細(xì)線系好掛在彈簧秤A的掛鉤上，D為帶有支管的玻璃缸，C為能夠控制水流速度的開關(guān)，E為大燒杯。先關(guān)閉C，向玻璃缸中注滿水，將玻璃板斜插入水中，沒入水下1cm左右，調(diào)節(jié)細(xì)線使毛玻璃板水平，并將細(xì)線上端與彈簧秤A的掛鉤固定，打開開關(guān)，使水緩緩流向E，隨時(shí)控制流速。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)玻璃板淹沒在水中時(shí)，彈簧秤示數(shù)0.5 N；當(dāng)玻璃板開始露出水面時(shí)，彈簧秤示數(shù)逐漸增大；當(dāng)彈簧秤示數(shù)達(dá)到1 N時(shí)并不停止，仍然隨著水面下降而增大；毛玻璃板即將脫離水面時(shí)，彈簧稱示數(shù)最大為2.5 N；隨后玻璃板脫離水面，彈簧秤示數(shù)很快恢復(fù)為1 N。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)分析

玻璃板離開水面后，可看到板下表面有水珠，說明外力克服分子間引力而造成拉力大于玻璃板的重力。

1.2.5 注意事項(xiàng)

（1）為了保證彈簧秤不晃動(dòng)，將彈簧秤上端固定。

（2）為了保證玻璃板水平，應(yīng)將四端繩子上端固定。

（3）為了防止玻璃板下有氣泡，應(yīng)將玻璃板斜插入水中。

1.3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）采用改進(jìn)后的裝置，通過水位下降使玻璃板與水面分離時(shí)，保證玻璃板水平。

（2）保證了彈簧秤不移動(dòng)，并且控制水面穩(wěn)定下降，減少了水面波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)影響。

（3）玻璃板受力平衡時(shí)，停留時(shí)間較長，保證了讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

2 摩擦力實(shí)驗(yàn)

2.1 教材實(shí)驗(yàn)

初中物理9年級(jí)“研究滑動(dòng)摩擦力大小與那些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。其操作為：用彈簧測力計(jì)勻速拉動(dòng)木塊，使它沿長木板滑動(dòng)，從而測出木塊與長木板之間的摩擦力；改變放在木塊上的砝碼，來改變木塊與長木板之間的壓力；把毛巾、棉布等鋪在長木板上，從而改變接觸面的粗糙程度，最后得出結(jié)論。

2.2 存在的問題

這個(gè)實(shí)驗(yàn)看起來容易，但實(shí)際操作過程中存在3個(gè)問題：①用力拉滑塊很難保證勻速直線運(yùn)動(dòng)；②確保彈簧秤拉木塊始終水平有難度；③木塊運(yùn)動(dòng)過程中很難保證讀數(shù)準(zhǔn)確。對(duì)此筆者提出改進(jìn)意見。

2.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。

2.3.2 操作過程

將物塊B掛在彈簧測力計(jì)A的掛鉤上，并將彈簧測力計(jì)A右端固定。長木板C與砝碼盤D通過繩子連接，給砝碼盤D中加入砝碼，使長木板C可以運(yùn)動(dòng)起來為止，讀出彈簧測力計(jì)A的示數(shù)，即為滑塊受到的摩擦力大小。

2.3.3 注意事項(xiàng)

（1）為了消除由于彈簧測力計(jì)的重力對(duì)摩擦力大小的影響，可以將彈簧測力計(jì)右端固定，以保證測力計(jì)水平。

（2）調(diào)整長木板和定滑輪的高度，以確保水平拉動(dòng)長木板。

2.4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1）采用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，確保彈簧測力計(jì)拉動(dòng)木塊始終水平。

（2）本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)二力平衡原理設(shè)計(jì)的，木板達(dá)到靜態(tài)平衡的時(shí)間較長，確保讀數(shù)準(zhǔn)確。

（3）根據(jù)滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的條件和牛頓第三定律，長木板上表面和木塊下表面有摩擦力存在，木塊水平方向上就受到滑動(dòng)摩擦力和測力計(jì)的拉力，而木塊始終保持靜止，測力計(jì)的示數(shù)就是摩擦力的大小。采用這樣的裝置，變動(dòng)態(tài)平衡為靜態(tài)平衡，就不需要考慮長木板是否勻速運(yùn)動(dòng)。

2.5 小結(jié)

為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，性能穩(wěn)定，易操作、易觀察，筆者在實(shí)驗(yàn)器材上做了許多工作。為了增強(qiáng)測力計(jì)的顯示能力，利用杠桿放大器將較小彈簧伸長形變轉(zhuǎn)換成較大的圓周角位移，并且把指針染成紅色。endprint