【正文】  【摘 要】 本文以一种摩擦力演示器为例，研究自制教具的制作方法及其在中学物理教学中的使用。在中学物理教学中，该自制教具可用于演示水平面上物体所受摩擦力情况：静摩擦力的产生及变化规律；滑动摩擦力的产生及变化规律；存在最大静摩擦力；摩擦力的方向问题。该自制教具具有外形美观、结构简单、用料易找、容易制作等特点。在实际使用过程中，不需调试即可使用，操作非常方便。木质方形外壳起到很好的保护作用，器件损坏率很低。可视度高，方便演示，现象明显，易于观察。
　　【关键词】  物理；教具；摩擦力；演示

　　在中学物理教学中，教师通常需要进行演示实验。虽然很多演示实验的器材在中学物理实验室中可以找到，但是这些器材并不能满足教师的全部教学需要，教师有时仍然需要自制教具进行开展教学活动。中学物理教师应该掌握自制作教具的基本功，以方便日常教学之需。自制教具以简单实用为原则，通常可以就地取材，既容易制作又能说明问题。本文以一种摩擦力演示器为例，研究自制教具的制作方法及其在中学物理教学中的使用。
　　一、制作原理
　　一个物体放在水平地面上，受到水平拉力作用保持静止状态。学生已经能够理解重力、拉力与支持力，但如何让学生理解摩擦力，观察到摩擦力的大小和方向，在教学中通常是一个不小的难题。
　　如图(1)所示，我们知道，在竖直方向上，重力与支持力是一对平衡力。而在水平方向上，通过推理得知，物体亦应该受到一对平衡力作用。在水平方向上与水平拉力相互平衡的力，便是摩擦力（此时为静摩擦力）。利用平衡力特点，容易理解在静止状态（或匀速直线运动状态）下，水平面上的物体受到的摩擦力跟它在水平方向上受到的拉力大小相等，方向相反。利用这个原理可以制作一种摩擦力演示器，用于定性演示水平面上的物体受到的静摩擦力或滑动摩擦力的大小及方向。







　　二、制作材料及工具
　　如图（2）所示，是一种摩擦力演示器的内部构造图，这种摩擦力演示器主要由方木箱abcd、推拉杆L1、指示杆L2、连动杆L3、以及弹簧K1、K2等构成。









　　制作所需材料有:长25cm宽25cm方木板2块；长25cm宽4cm厚2cm直木条5根；长25cm宽10cm三合板1片；100cm长8号铁丝1根；小弹簧4个（从废圆珠笔内部拆下备用）；1cm长铁钉20颗、4cm长铁钉2颗、7cm长铁钉1颗；老式木窗风钩2个（形状如问号，取钩座备用）。
　　制作所需工具有：木锯，钉锤，尖嘴钳，细砂纸，美工刀等。
　　三、制作方法
　　1、将上述材料中的方木板2块、直木条3根及三合板1片，用1cm长铁钉拼合成方形盒子，此即为教具的主体，如下图(3)所示 (注意暂不钉紧背板)。在盒子顶部横木条上距两侧各四分之一距离处，各拧上一个老式木窗风钩G、H。在长方体四角各开一个4cm×2cm的小孔A、B、C、D。








　　2、将上述材料中的8号铁丝截成各50cm长的两段，分别绕制成下图(4)中的形状，完成图(1)中的推拉杆L1和连动杆L3的制作（中部有小圆孔用于安装转轴）。成品L1=35cm,L3＝20cm,多余部分截去。







　　3、将上述材料中的小弹簧套在横杆L1上，如下图(5)所示。




　　4、用美工刀将上述材料中的一根直木条两头削成箭头状，做成图(1)中的指示杆L2，中部开一小孔用于转动。指示杆L2上的箭头用于表示水平摩擦力的方向，指示板上标有刻度，用于表示水平摩擦力的大小（仅为定性研究，不必考虑刻度的分度值）。
　　5、用7号铁钉作为转轴将连动杆L3钉在矩形abcd的中心O处，分别将推拉杆L1和指示杆L2挂在连动杆L3的两端；用4号铁钉钉在P,Q两点，使指示杆L2在使用中保持水平。
　　6、最后在推拉杆L1两端套上用木条削成的箭头状指示板，用于表示水平作用力的方向，指示板上标有刻度，用于表示水平作用力的大小（仅为定性研究，不必考虑刻度的分度值）。细心调试直至满意后盖上背板，用砂纸打磨教具外表使其光亮美观。
　　四、主要用途
　　在中学物理教学中，该自制教具可用于演示水平面上物体所受摩擦力情况：
　　1、静摩擦力的产生及变化规律；
　　2、滑动摩擦力的产生及变化规律；
　　3、存在最大静摩擦力；
　　4、摩擦力的方向问题。
　　五、使用方法
　　本自制教具可以独立使用，也可以增加附件（钩码1盒、毛巾1匹），以改善演示实验效果。
　　1、演示静摩擦力的产生及变化规律
　　将该教具当作研究物体立放在水平桌面上，在推拉杆L1左端施加拉力。用力较小时，发现物体始终保持静止不动，说明地面对物体有静摩擦力。此摩擦力可通过从右端D孔伸出的f1指示针进行指示，如下图(6)所示。若逐渐增大拉力，则从D孔伸出的f1指示针也逐渐增长，说明此时静摩擦力f1随拉力F拉的增大而增大。由于物体静止，处于平衡状态，根据平衡力的性质，说明静摩擦力与拉力等大、反向。









　　2、演示滑动摩擦力的产生及变化规律:
　　(1)将该教具当作研究物体立放在水平桌面上，在推拉杆L1左端施加拉力使物体保持匀速直线运动状态。可观察到：为保持物体做匀速直线运动，必须持续保持这个拉力，说明物体受到滑动摩擦力的作用。此摩擦力可通过从右端D孔伸出的f1指示针进行指示，仍如上图(6)所示。由于物体做匀速直线运动，处于平衡状态，根据平衡力的性质，说明动摩擦力与拉力等大、反向。
　　(2)将该教具当作研究物体立放在水平桌面上，在其上增放适量钩码，在推拉杆L1左端施加拉力使物体保持匀速直线运动状态。可通过从右端D孔伸出的f1指示针观察到物体受到滑动摩擦力的作用，此时的摩擦力比未放钩码时更大。说明滑动摩擦力的大小与接触面间的压力有关。逐个增加钩码个数，并观察保持教具匀速直线运动时指示杆上f1的刻度数量，进一步定性分析判断，发现滑动摩擦力的大小与接触面间的正压力成正比关系。
　　(3)将该教具当作研究物体立放在水平桌面上，不放钩码，但在其下垫一块毛巾，在推拉杆L1左端施加拉力使物体保持匀速直线运动状态。可通过从右端D孔伸出的f1指示针观察到物体受到滑动摩擦力的作用，此摩擦力比未垫毛巾时的摩擦力大。说明滑动摩擦力的大小与接触面间的材料及粗糙程度有关。
　　3、演示最大静摩擦力:
　　将该教具当作研究物体立放在水平桌面上，在推拉杆L1左端施加逐渐增大的拉力。当拉力较小时，物体不动，可通过从右端D孔伸出的f1指示针观察到物体受到静摩擦力的作用。当拉力增大到一定程度后，物体才开始滑动。说明物体在此过程中存在一个最大静摩擦力。
　　4.演示摩擦力的方向:
　　在以上演示中，若对推拉杆L1施加向左的拉力(F拉)，则可观察到摩擦力向右(f1)，如上图(6)所示。若对推拉杆L1施加向右的推力(F推)，则可观察到摩擦力向左(f2)，如下图(7)所示。说明摩擦力的方向与物体相对运动(或相对运动趋势)方向相反。








　　六、注意事项
　　下面两图分别是该自制教具的内部结构图和外观图。该自制教具具有外形美观、结构简单、用料易找、容易制作等特点。在实际使用过程中，不需调试即可使用，操作非常方便。木质方形外壳起到很好的保护作用，器件损坏率很低。可视度高，方便演示，现象明显，易于观察。 







　　由于该自制教具是利用水平面上物体处于平衡状态时所受摩擦力与水平方向作用力等大反向的原理进行设计，故不可以在物体处于非平衡状态下时使用。另外，通常也不可以在斜面上进行演示，当需要在斜面上进行演示时，仅可以演示摩擦力的产生及方向，不可以演示摩擦力的大小。陆武舒推荐