人教版高中新课程教材编写组成员、北京四中资深实验教学专家 刘彬生

    中学物理教学中，有许多是对常见的宏观物体间的相互作用力和它们的规律的认识，这些都要通过对某种作用力的直接或间接测量来研究。例如：弹力与物体形变的关系（胡克定律），静摩擦力和滑动摩擦力的概念和测量方法，滑动摩擦力的大小受哪些因素的影响，滑动摩擦因数的概念和测量，超重和失重现象，共点力的平衡条件，作用力和反作用力的关系（牛顿第三定律），液体对物体的浮力（阿基米德定律）等等。还有一些规律的探究，也需要进行力的测量，例如：物体动量的变化与所受冲量的关系（动量定理），物体动能的变化与外力对它作功的关系，简谐振动的周期性等等。

    目前教学中，测量力的仪器通常是弹簧测力计（弹簧秤）。用它来测量静止的对象和大小恒定的力还是适用的，但是测量运动的对象时，测力计要随着运动，就不容易看清它的刻度。再者，如果要测量大小变化的力，并且记录下它随时间变化的情况，就更困难了。要完成上述的实验，其效果往往不会太理想。

    友高数字化实验室是北京友高教育科技公司最新研制出的高科技专利产品，它是利用多媒体信息技术辅助中学物理实验教学的一整套新型数字化教学设备。主要包括数据采集器、多种教学专用传感器以及配套使用的通用和专用软件。我们利用该产品提供的力传感器与计算机 组成多功能的测量系统 ，启动配套的专用软件，就能够很好地解决上述问题，提高实验结果的可见度，进行动态的测量、自动记录和图象显示。下面简要介绍几个使用友高数字化实验室所做的探究力学物理规律的实验，供同行们参考。

* 作用力与反作用力的关系

将两个力传感器分别与数据采集器的两个端口连接，数据采集器与计算机连接。运行本系统软件，选择进入专用软件《作用力和反作用力》界面。

（ 1 ） 观察静止状态下两个传感器相互的拉力。方法是：用细绳连接两个传感器的挂钩，让两位力气大小不同的学生各持一个传感器互相拉，并且使拉力在一条直线上，两个传感器都保持静止。可看到界面上数字窗口中显示出两个相互作用力各自的数值，它们的大小相等，并且一正一负，表示方向相反。让其中一个人改变拉力的大小或者两个人同时改变，都可在图像窗口上显示出作用力和反作用力都是同时改变的，并且总是大小相等、方向相反的，如图 1 所示。这样也可以消除力气大的人给另一个人的拉力会较大的误解。

图 1
（ 2 ）观察静止状态下两个传感器相互的压力。将两个传感器的挂钩更换为圆形小盘，也按照上述方法做实验。

（ 3 ）观察运动状态下两个物体间的作用力。将一个传感器 A 固定在木块上，木块放在水平的长木板上，如图 2 所示。手持传感器 B 拉着木块沿直线运动，并且改变运动的状态，时而加速，时而减速，由图象可看到作用力和反作用力的大小仍然总是相等的。这样就可以消除在运动时或者加速时作用力会大于反作用力等等误解。

图 2

* 探究摩擦力的规律

    将一个力传感器与数据采集器的连接，数据采集器与计算机连接。运行友高数字化实验室配套软件，选择进入专用软件《摩擦力》界面。

    装置如图 3 所示。手持力传感器去拉木块，缓慢地逐渐增大拉力，直至木板开始向右运动，然后控制拉力的大小，使木块保持匀速运动一段距离。在这个过程中，数字显示窗口实时地显示出力的数值及其变化，同时图形窗口中显示出力随时间变化的图线，如图 4 所示。

    图线上升的一段表示物体开始运动前，静摩擦力随着拉力的增大而增大；其后水平的一段，则反映了运动过程中滑动摩擦力的大小。由此可以看出，滑动摩擦力是小于最大静摩擦力的。
向木块上加砝码，增加木块与木板间的正压力，再做以上的测量，可以看到摩擦力随着增大。然后保持正压力不变，分别将纸、毛巾、塑料板等不同的材料固定在木板上面，再做以上的测量，可看到摩擦力也有所不同。由此可以归纳出摩擦力受到哪些因素的影响。由实验结果，还可以求出各种情况下的滑动摩擦因数的数值。

图 3

手持力传感器，挂钩向下，悬挂一个重物。然后拉着它们突然加速上升，接着减速停止。则界面上会显示出图 5 所示的图线。其中水平的图线表示正常的重力，高于水平部分的图线表示超重，而低于水平部分的图线则表示失重。

图 5