潘冬煒　張 琳　李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院　廣東 廣州　510006 )

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自制摩擦力實(shí)驗(yàn)教具及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用

潘冬煒張 琳李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院廣東 廣州510006 )

摘 要：自制一款簡(jiǎn)易、穩(wěn)定、可拓展的摩擦力實(shí)驗(yàn)教具，并使其與DISLab相結(jié)合，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一系列摩擦力實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單明了，效果明顯，增強(qiáng)了學(xué)生的探究意識(shí)和加深了對(duì)摩擦力特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)．

關(guān)鍵詞：摩擦力影響因素DISLab

1引言

摩擦力是高中物理教學(xué)一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)[1]，在“摩擦力”這一節(jié)中，要求學(xué)生知道最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)滑動(dòng)摩擦力的規(guī)律．通常教材有關(guān)摩擦力的實(shí)驗(yàn)一般通過(guò)手拉彈簧測(cè)力計(jì)拉物塊的方法進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)缺陷主要表現(xiàn)在：

(1)彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)困難并容易存在誤差；

(2)難以保證物塊勻速[2]．且很多教師只是演示滑動(dòng)摩擦力與接觸面和正壓力的關(guān)系，而對(duì)接觸面積和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系則不采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[3]．

為彌補(bǔ)上述不足，我們自制了一款摩擦力實(shí)驗(yàn)教具，并使其與DISLab結(jié)合，用實(shí)驗(yàn)直觀準(zhǔn)確地得出最大靜摩擦力比滑動(dòng)摩擦力略大、滑動(dòng)摩擦力與正壓力成正比和接觸面的性質(zhì)有關(guān)與接觸面積和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)的結(jié)論，增強(qiáng)學(xué)生的探究意識(shí)和加深對(duì)摩擦力特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)．

2實(shí)驗(yàn)原理

2.1摩擦力的測(cè)量

如圖1，物塊放在傳送帶上，通過(guò)傳送帶的即將轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，使物塊與傳送帶發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)．物塊在水平方向上受到細(xì)線的拉力和傳送帶的摩擦力．由于物塊始終相對(duì)地面處于靜止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)二力平衡，此時(shí)細(xì)線拉力等于物塊所受摩擦力的大?。忠蚣?xì)線與力傳感器相連，力傳感器將細(xì)線拉力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器輸入到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示物塊所受摩擦力的大小．將光電門(mén)安裝在教具固定位置處，將擋光片固定在傳送帶某一位置，當(dāng)擋光片跟隨傳送帶經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí)，DISLab實(shí)驗(yàn)軟件會(huì)同時(shí)記錄下?lián)豕馄瑩豕鈺r(shí)間及此時(shí)相對(duì)應(yīng)的摩擦力大小，可避免因傳送帶不同位置的微小差別所帶來(lái)的誤差[4]．

圖1　測(cè)量摩擦力原理圖

測(cè)量擋光片寬度及記錄其通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間，根據(jù)速度公式

(1)

即可計(jì)算出物塊相對(duì)傳送帶的運(yùn)動(dòng)速度．

3自制摩擦力實(shí)驗(yàn)教具

3.1制作材料

所需20 mm×30 mm×52 mm物塊1個(gè)；

3 mm×150 mm×300 mm金屬銅板2塊；內(nèi)徑

10 mm軸承1個(gè)；中心高39 mm，內(nèi)徑10 mm軸承座2個(gè)；直徑10 mm，長(zhǎng)100 mm光軸1根；24 V/5 A開(kāi)關(guān)電源1個(gè)；步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器1個(gè)；高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器1個(gè)；轉(zhuǎn)軸直徑6.35 mm 57步進(jìn)電機(jī)1個(gè)；中心高39 mm 57步進(jìn)電機(jī)支架1個(gè)；長(zhǎng)度40 mm，外徑30 mm，內(nèi)徑6.35 mm聯(lián)軸器1個(gè)；長(zhǎng)度40 mm ，外徑30 mm，內(nèi)徑10 mm聯(lián)軸器1個(gè)；材質(zhì)分別為聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯，尺寸為470 mm×40 mm×1.6 mm傳送帶3條；螺絲、螺帽、導(dǎo)線若干；水平硬鐵片2塊等．

3.2實(shí)物教具

根據(jù)以上材料制成的摩擦力實(shí)驗(yàn)教具如圖2(a)、(b)所示．

1.步進(jìn)電機(jī)　2.光電門(mén)　3.物塊　4.水平硬鐵片　5.擋光片

11.底座　12.減磨材料擋板　13.傳送帶

(1)底座的設(shè)計(jì)．用金屬銅板作為教具裝置的底座，并用臺(tái)式鉆床在銅板上鉆孔以固定支架及光電門(mén)等其他原件．

(2)傳送帶裝置的制作．步進(jìn)電機(jī)通過(guò)支架在底座上固定后，其轉(zhuǎn)軸和一聯(lián)軸器相接構(gòu)成主動(dòng)輪．另一聯(lián)軸器與一光軸相接構(gòu)成從動(dòng)輪，通過(guò)軸承及其底座固定在銅板上．主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間用傳送帶連接．為避免物體放在傳送帶上導(dǎo)致傳送帶向下凹陷使傳送帶運(yùn)行時(shí)物塊所受摩擦力方向不在水平線上，為此在傳送帶下面固定水平硬鐵片，保證物塊受到水平方向的摩擦力[5]．采用剛性靠擋的方法來(lái)防止傳送帶的跑偏，即在傳送帶寬度方向一端設(shè)置減磨材料擋板(利用軸承座做成)[6]．

(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選?。畟魉蛶аb置由步進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速則由步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)控制．利用高性能的細(xì)分驅(qū)動(dòng)能精確控制速度的特點(diǎn)[7]，步進(jìn)電機(jī)采用高細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速可在3～700 rad/min內(nèi)精確調(diào)節(jié)．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路實(shí)物圖如圖3所示．

圖3　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖

4在物理教學(xué)中的應(yīng)用

4.1常規(guī)實(shí)驗(yàn)

4.1.1演示最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系

把光電門(mén)和擋光片從教具裝置中卸下，且剛開(kāi)始時(shí)使細(xì)繩處于松弛狀態(tài)，調(diào)節(jié)力傳感器窗口為“示波”顯示，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，待傳送帶開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后停止步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)．啟動(dòng)DISLab繪圖和計(jì)算工具，可得摩擦力隨時(shí)間的變化圖像(圖4)．從圖4中可看出，靜摩擦力逐漸增大，并在物塊相對(duì)傳送帶即將發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)峰值(0.560 N)，滑動(dòng)過(guò)程中摩擦力基本不變(0.431 N)，最大靜摩擦力略大于滑動(dòng)摩擦力．

圖4　滑動(dòng)摩擦力隨時(shí)間的變化圖像

把光電門(mén)和擋光片安裝上，通過(guò)增減鉤碼數(shù)量改變物塊的重力．在DISLab軟件中定義“m”為物塊與鉤碼的總質(zhì)量并輸入相應(yīng)值，輸入公式“Fm=9.8*m”為正壓力，輸入公式“k=F1/Fm”為滑動(dòng)摩擦力與正壓力的比值．驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，開(kāi)始收集數(shù)據(jù)結(jié)果(圖5)，從數(shù)據(jù)結(jié)果中看出滑動(dòng)摩擦力與正壓力的比值(k)基本為一常量，說(shuō)明二者成正比．收集數(shù)據(jù)完成后，點(diǎn)擊“繪圖”，選擇X軸為“Fm”，Y軸為“F1”，各數(shù)據(jù)點(diǎn)在坐標(biāo)系的排列呈線性特征，通過(guò)線性擬合得滑動(dòng)摩擦力與正壓力關(guān)系圖(如圖6)，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)基本都在擬合線上，同樣驗(yàn)證二者的正比關(guān)系．

圖5　計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果圖

圖6　滑動(dòng)摩擦力與正壓力的關(guān)系圖

通過(guò)更換不同材質(zhì)的傳送帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)如表1所示．

表1　滑動(dòng)摩擦力與接觸面性質(zhì)的關(guān)系

從表1中可看出，相同條件下聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)摩擦力依次變大，即證明了滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面性質(zhì)有關(guān)．

4.2拓展實(shí)驗(yàn)

4.2.1探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面積的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變20 mm×30 mm×52 mm的物塊與傳送帶的接觸面，進(jìn)而使物塊與傳送帶的接觸面積有較大的變化．為避免因傳送帶不同位置的微小差別所帶來(lái)的誤差，連接物塊與力傳感器的細(xì)線長(zhǎng)度應(yīng)保持不變．獲得數(shù)據(jù)如表2所示．

表2　滑動(dòng)摩擦力與接觸面積的關(guān)系

從表2中可以看出，在接觸面積有較大變化時(shí)，滑動(dòng)摩擦力大小基本保持不變，從而說(shuō)明滑動(dòng)摩擦力大小與接觸表面面積大小無(wú)關(guān)．

4.2.2探究滑動(dòng)摩擦力與速度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)通過(guò)在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器里改變脈沖頻率f來(lái)改變物塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度．所用到的擋光片寬度ΔL=1.7 cm，獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果和圖像如圖7(a)、(b)所示．

(a)滑動(dòng)摩擦力與速度的關(guān)系數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

(b)滑動(dòng)摩擦力與速度的關(guān)系圖像

從圖7(a)、(b)可看出，滑動(dòng)摩擦力大小基本保持不變，從而驗(yàn)證了在低速時(shí)，滑動(dòng)摩擦力大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)[8]．

5教具特點(diǎn)

本教具特點(diǎn)如下：

(1)簡(jiǎn)易性.材料易得，制作方法簡(jiǎn)單，可拆卸方便攜帶，并且操作容易，方便教師在有限的上課時(shí)間達(dá)到更高的課堂教學(xué)效率；

(2)拓展性.本教具除了可演示和探究高中課本上關(guān)于摩擦力的基本實(shí)驗(yàn)外，還可探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面積和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系；

(3)穩(wěn)定性.本教具利用步進(jìn)電機(jī)勻速性好的特點(diǎn)，所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小，與理論很好地相吻合．

6結(jié)語(yǔ)

本文利用自制摩擦力實(shí)驗(yàn)教具與DISLab結(jié)合將示數(shù)較小的摩擦力進(jìn)行放大顯示并實(shí)時(shí)地記錄下其變化瞬間，使學(xué)生對(duì)靜摩擦的規(guī)律和最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系獲得直觀形象的動(dòng)態(tài)體驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)課堂演示實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)；并且利用DISLab所提供的傳感器和軟件包快速地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，讓學(xué)生經(jīng)歷探究影響滑動(dòng)摩擦力因素實(shí)驗(yàn)過(guò)程的同時(shí)，高效、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)到滑動(dòng)摩擦力的特點(diǎn)．

參 考 文 獻(xiàn)

1陶錫泉,孫兵. 用朗威DISLab研究摩擦力.物理教學(xué),2008(7):62～63

2沈軍. 淺談使用DISLab進(jìn)行新教材摩擦力的實(shí)驗(yàn). 物理教師,2007,28(1):32

3王勁存,仲扣莊. 用DIS探究影響滑動(dòng)摩擦力的因素.物理實(shí)驗(yàn),2010,30(5):24～26

4居津. 滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)速度真的無(wú)關(guān)嗎.物理教學(xué),2011,33(2):52～53

5洪鐘. 滑動(dòng)摩擦力演示儀的制作.物理教師,2004,25(7):30～31

6王新國(guó).傳送帶跑偏自動(dòng)調(diào)正系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì).中國(guó)皮革,1996,25(1):36～39

7石東峰. 步進(jìn)電機(jī)的原理及選型.科技與企業(yè),2011(10):44

8李啟成. 滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系討論.應(yīng)用能源技術(shù), 2004(6):9

通訊作者：李德安(1974-)，男，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)與科技創(chuàng)新、低成本實(shí)驗(yàn)等.

作者簡(jiǎn)介：潘冬煒(1991-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn).

收稿日期：(2015-08-26)