焦 飛

(渭南高級(jí)中學(xué) 陜西 渭南 714000)

1 引言

摩擦力是中學(xué)物理中的重要概念，而高中物理教科書上關(guān)于摩擦力的實(shí)驗(yàn)卻不多，基本是定性研究，一般采用手拉彈簧測(cè)力計(jì)的方法.此方法由于很難控制物體勻速運(yùn)動(dòng)，且不易觀察，無(wú)法進(jìn)行定量研究.由于摩擦力問(wèn)題的復(fù)雜性，在具體問(wèn)題中又表現(xiàn)出動(dòng)中有靜，靜中有動(dòng)，尤其靜摩擦力在許多情形下似乎又是若有若無(wú)，大小方向不定，對(duì)于高一學(xué)生來(lái)說(shuō)著實(shí)不易理解.相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(DIS) 結(jié)合力傳感器在摩擦力實(shí)驗(yàn)研究上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，筆者嘗試通過(guò)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與相關(guān)器材的合理組裝，實(shí)驗(yàn)得出摩擦力變化的圖像，探究了在正壓力、接觸面積、接觸面性質(zhì)變化以及物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度變化時(shí)滑動(dòng)摩擦力的變化情況.使學(xué)生對(duì)靜摩擦力的大小變化和最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力關(guān)系獲得形象、直觀的動(dòng)態(tài)體驗(yàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂實(shí)驗(yàn)中的不足.

2 實(shí)驗(yàn)器材

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) (Digital Information System，DIS) ,滑動(dòng)摩擦力演示儀,鐵架臺(tái),帶輪子的木板,滑塊(100 g),鉤碼(50 g)6個(gè),傳感器,滑石粉,毛巾,電腦.

3 滑動(dòng)摩擦力的探究實(shí)驗(yàn)

一個(gè)物體在另一個(gè)物體表面上相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，要受到另一個(gè)物體阻礙它相對(duì)滑動(dòng)的力，稱為滑動(dòng)摩擦力.通過(guò)改變正壓力、接觸面面積、接觸面性質(zhì)以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度探究影響滑動(dòng)摩擦力的因素.

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)安裝如圖1，將力傳感器固定在鐵架臺(tái)上，用繩子將木滑塊與力傳感器相連.滑塊放在滑動(dòng)摩擦力演示器的皮帶上，通過(guò)皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)使木滑塊與皮帶發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng).滑塊在水平方向上受到2個(gè)力的作用，力傳感器的拉力和木板的摩擦力.由于皮帶勻速運(yùn)動(dòng)，滑塊始終處于平衡狀態(tài).根據(jù)二力平衡原理，力傳感器示數(shù)等于滑塊所受滑動(dòng)摩擦力的大小.

圖1 探究滑動(dòng)摩擦力實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)按圖1安裝好實(shí)驗(yàn)裝置.

(2)將滑塊放在皮帶上，打開摩擦力演示器，使皮帶以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng).通過(guò)傳感器用DIS系統(tǒng)繪制木塊所受摩擦力變化的圖像，在7.0 s時(shí)放上2個(gè)鉤碼，13.0 s時(shí)再增加2個(gè)鉤碼以改變滑塊滑動(dòng)時(shí)的正壓力大小.繪制摩擦力大小隨時(shí)間變化的圖像,如圖2(a).

(3)上述裝置不變的情況下，滑塊滑動(dòng)過(guò)程中，在6.0 s時(shí)給轉(zhuǎn)動(dòng)的皮帶上面均勻地撒上滑石粉，以改變接觸面的粗糙程度，繪制摩擦力大小隨時(shí)間變化的圖像.繪制的圖像如圖2(b).

(4)再次消除數(shù)據(jù)，并重新繪制圖像，此過(guò)程中分別在8.0 s和12.0 s時(shí)改變速度檔位加快皮帶的轉(zhuǎn)速.繪制的圖像如圖2(c).

圖2 不同因素下滑動(dòng)摩擦力的大小

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

(1)由圖2(a)可知，當(dāng)接觸面的粗糙程度和皮帶轉(zhuǎn)速一定的情況下，木塊對(duì)皮帶的正壓力不變,滑動(dòng)摩擦力就不變;受到正壓力變大，滑動(dòng)摩擦力變大.實(shí)驗(yàn)中正壓力與摩擦力具體數(shù)據(jù)如表1，由表中數(shù)據(jù)可得到圖2(d).圖2(d)表明物體所受滑動(dòng)摩擦力的大小與正壓力大小成正比(實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)).由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算木滑塊與橡膠皮帶間的摩擦因數(shù)為0.7.

(2)由圖2(b)可得，當(dāng)物體對(duì)皮帶的正壓力和皮帶轉(zhuǎn)速一定的情況下，接觸面越光滑，木塊所受到的滑動(dòng)摩擦力越小.滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面的性質(zhì)μ(摩擦因數(shù))有關(guān).

表1 正壓力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系(g=9.8 m/s2)

(3)由圖2(c)可得，當(dāng)物體對(duì)皮帶的正壓力和接觸面的粗糙程度一定時(shí)，皮帶的轉(zhuǎn)速變化對(duì)滑塊所受滑動(dòng)摩擦力大小基本沒(méi)有影響.

4 靜摩擦力的探究實(shí)驗(yàn)

物體間有相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力叫做靜摩擦力.現(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究決定靜摩擦力大小的因素和影響最大靜摩擦力的因素.

4.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3，將力傳感器固定在鐵架臺(tái)上，用繩子將木滑塊與力傳感器相連.滑塊放在帶輪子的木板上，用手對(duì)木板施加水平拉力.在增大拉力過(guò)程中保持滑塊與木板相對(duì)靜止，滑塊在水平方向上受到2個(gè)力的作用,力傳感器的拉力和木板的摩擦力，滑塊相對(duì)木板靜止為靜摩擦力.根據(jù)二力平衡原理, 力傳感器示數(shù)等于滑塊所受靜摩擦力的大小.靜摩擦力的最大值對(duì)應(yīng)最大靜摩擦力.

圖3 探究靜摩擦力實(shí)驗(yàn)裝置

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)如圖3安裝好裝置.

(2)用細(xì)線拉住上面放有4個(gè)鉤碼的滑塊，緩慢用力拉動(dòng)小車至其開始運(yùn)動(dòng)，觀察通過(guò)傳感器顯示在電腦上的摩擦力大小變化圖像，如圖4(a).

(3)上述過(guò)程不變,在滑塊上放6個(gè)鉤碼，觀察通過(guò)傳感器顯示在電腦上的摩擦力大小變化圖像，如圖4(b).

(4)在步驟2中，將滑塊放在鋪有毛巾的帶輪木板上，緩慢用力拉木板至其開始運(yùn)動(dòng)，觀察通過(guò)傳感器顯示在電腦上的摩擦力大小變化圖像，如圖4(c).

(5)通過(guò)傳感器拉動(dòng)滑塊過(guò)程中，改變滑塊與木板接觸面積的大小，測(cè)得最大靜摩擦力大小相等，可以知道最大摩擦力的大小與物體接觸面積的大小無(wú)關(guān).圖4(a)、圖4(d)分別保持正壓力、接觸面性質(zhì)不變，使滑塊寬面、窄面不同方式放置時(shí)得到的摩擦力變化圖像.

(a) 滑塊上放兩個(gè)鉤碼寬面向下

(b)滑塊上放四個(gè)鉤碼

(c) 板上平鋪毛巾

(d)滑塊窄面向下

4.3 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

(1)在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，緩慢、均勻增大拉力，拉動(dòng)小車至其開始運(yùn)動(dòng)，在滑塊與木板未發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)前，滑塊受到木板的靜摩擦力.根據(jù)二力平衡原理滑塊受到木板的靜摩擦力與傳感器對(duì)滑塊的拉力大小相等，方向相反.通過(guò)DIS系統(tǒng)在電腦上將靜摩擦力的大小變化顯示出來(lái).從圖4各個(gè)圖中可以觀察到，靜摩擦力大小隨拉力的增大而增大，說(shuō)明靜摩擦力是“被動(dòng)力”.

(2)當(dāng)拉力增大，靜摩擦力也隨著增大的過(guò)程中，靜摩擦力的增大是有一定限度的，它的最大值就是最大靜摩擦力.圖4(a)、圖4(b)中滑塊的最大靜摩擦力分別為1.50 N，1.87 N.說(shuō)明正壓力越大最大靜摩擦力越大.圖4(c)中滑塊的最大靜摩擦力為3.2 N,與圖4(a)相比，說(shuō)明接觸面越粗糙最大靜摩擦力越大.圖4(d)是滑塊窄面向下的最大靜摩擦力為1.52 N，與圖4(a)基本相等,可知接觸面的大小對(duì)其沒(méi)有影響.

5 最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系

從實(shí)驗(yàn)中所得圖像可以觀察到當(dāng)滑塊與木板發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即摩擦力由靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力的瞬間摩擦力大小明顯變小.由此可以得到最大靜摩擦力明顯大于同條件下的滑動(dòng)摩擦力(在習(xí)題處理中經(jīng)常近似認(rèn)為最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力).

6 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

利用DIS系統(tǒng)與滑動(dòng)摩擦力演示儀等相關(guān)器材合理組裝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生清楚地觀察和親身感受到影響摩擦力的各種因素，加深對(duì)公式f滑=μFN的理解，使以往難以直觀顯現(xiàn)的拉動(dòng)物體克服最大摩擦力時(shí)拉力值的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程得到體現(xiàn).這有利于學(xué)生深刻理解“滑動(dòng)摩擦力與最大摩擦力之間的關(guān)系”，可以增強(qiáng)學(xué)生的探究意識(shí), 鞏固和加深對(duì)摩擦力特點(diǎn)的認(rèn)識(shí).

實(shí)驗(yàn)過(guò)程用電腦繪制并處理的圖中摩擦力大小上下微小波動(dòng)，主要是因?yàn)槠мD(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程或木板移動(dòng)過(guò)程中滑塊在皮帶或木板上不穩(wěn)定和接觸面性質(zhì)不是絕對(duì)均勻造成的誤差.

參考文獻(xiàn)

1 束炳如,何潤(rùn)偉.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理Ⅰ(必修)(第3版).上海:上海科技教育出版社,2009.72～750