借助不倒翁“看見”水平轉(zhuǎn)盤上物體所受靜摩擦力的方向

賈艷萍

(浙江省舟山中學(xué) 浙江 舟山 316021)

1 問題的提出

人教版高中物理必修第二冊“向心力”一節(jié)的“問題與練習(xí)”中的第3題[1]：如圖1所示，小物體隨著圓盤勻速圓周運(yùn)動，討論物體所受靜摩擦力的方向.雖然從受力和勻速圓周運(yùn)動的條件學(xué)生可以接受靜摩擦力的方向指向圓心，但是很多學(xué)生還是會問為什么不是沿切線方向？原因是學(xué)生不能合理地判斷物體相對運(yùn)動趨勢方向，更無法從已有生活經(jīng)驗(yàn)類比感知.接下來筆者先根據(jù)定義推導(dǎo)靜摩擦力的方向，然后借助創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的不倒翁，形象、直觀地展示出物體相對轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動趨勢方向，從而輕松判斷出靜摩擦力的方向.

圖1 第3題題圖

2 理論推導(dǎo)

圖2 物體隨轉(zhuǎn)盤勻速圓周運(yùn)動的俯視圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

兩個完全相同的不倒翁、頻率可調(diào)的水平轉(zhuǎn)盤、學(xué)生電源、砂紙一張.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3為轉(zhuǎn)盤靜止時兩不倒翁放置狀態(tài).

圖3 轉(zhuǎn)盤靜止時不倒翁放置狀態(tài)

圖4為轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動時不同時刻兩不倒翁的相對狀態(tài).

(a) (b)

(c) (d)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

頻率不變時，邊緣處的不倒翁向外傾斜，并和圓心處的不倒翁始終面對面.這說明勻速圓周運(yùn)動時，邊緣處的不倒翁有沿半徑向外運(yùn)動的趨勢.因此，其受到的靜摩擦力的方向沿半徑指向圓心.

4 總結(jié)

摩擦力方向的判斷是高中物理力學(xué)部分的教學(xué)難點(diǎn).借助學(xué)生熟悉的不倒翁，可以非常形象、直觀地展示出水平轉(zhuǎn)盤上勻速圓周運(yùn)動的物體相對運(yùn)動趨勢的方向，快速判斷出靜摩擦力的方向.借助該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，既突破了教學(xué)難點(diǎn)，又增加了學(xué)生物理學(xué)習(xí)的興趣.