陳劍峰

(莆田第二中學(xué)，福建 莆田 351131)

摩擦力是中學(xué)力學(xué)部分的重要內(nèi)容之一,探究滑動(dòng)摩擦力大小影響因素的實(shí)驗(yàn)是章節(jié)的重難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)涉及到彈簧測(cè)力計(jì)的使用和二力平衡知識(shí). 現(xiàn)有教材研究摩擦力的實(shí)驗(yàn)裝置，利用測(cè)力計(jì)拉動(dòng)木板上的滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)二力平衡間接測(cè)量出滑動(dòng)摩擦力. 多數(shù)學(xué)生在猜想環(huán)節(jié)猜想滑動(dòng)摩擦力的大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度或接觸面積有關(guān). 教材中采用在摩擦塊上加砝碼的方法來(lái)改變壓力，研究滑動(dòng)摩擦力與壓力的關(guān)系，部分學(xué)生對(duì)該方法有疑議：加上砝碼后壓力變化的同時(shí)重力也發(fā)生變化，而結(jié)論卻是滑動(dòng)摩擦力大小與壓力有關(guān)，而與重力無(wú)關(guān)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中的控制變量法存在疑義. 部分教師在實(shí)驗(yàn)前直接告知學(xué)生滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、接觸面積等無(wú)關(guān)，直接安排學(xué)生探究滑動(dòng)摩擦力與壓力、接觸面粗糙程度之間的關(guān)系. 這種“假探究”不利于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)基本思路

1)利用三角鋼組合成長(zhǎng)方體支架；

2)利用鋁托做導(dǎo)軌，利用直流電動(dòng)推桿帶動(dòng)滑塊及鋁托上的滑臺(tái)移動(dòng)；

3)增加調(diào)速電路，控制底板移動(dòng)的速度；

4)利用DIS力傳感器采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量；

5)裝置主體可被翻轉(zhuǎn)90°，在豎直長(zhǎng)方體支架側(cè)面安裝另一傳感器，測(cè)量壓力；

6)利用3D打印設(shè)備設(shè)計(jì)各種規(guī)格的摩擦塊模型.

2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法

制作材料：木板若干、角鋼條、童車開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干、橡皮筋、導(dǎo)程25 cm的電動(dòng)推桿、調(diào)速模塊、12 V 10 A帶遙控限位功能的卷簾門電機(jī)無(wú)線控制模塊、3D打印設(shè)計(jì)的不同規(guī)格的摩擦塊、KT板、鉤碼、力傳感器、采集器、電腦、雙面膠、墻面泡沫、魔術(shù)貼的毛面和刺面等.

制作方法：利用角鋼條組裝90 cm× 40 cm×25 cm的長(zhǎng)方體主體支架． 采用12 V鋰電池供電. 推桿后端固定在主體支架上，前端固定在滑臺(tái)板面下方，帶動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，利用無(wú)線遙控模塊(控制卷簾門電機(jī)正反轉(zhuǎn)的遙控模塊)控制滑臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)，增加調(diào)速模塊來(lái)調(diào)節(jié)滑臺(tái)移動(dòng)的速度. 利用3D打印六棱柱和各面面積不同的柱體作為摩擦塊(六棱柱的各個(gè)面分別貼上粗糙程度不同的材料). 主體支架的水平位置及側(cè)面安裝力傳感器，分別測(cè)量摩擦力與壓力.

實(shí)驗(yàn)裝置整體如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置整體圖

3 實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法

3.1 研究滑動(dòng)摩擦力與接觸面粗糙程度的關(guān)系

1)將裝置水平放置，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)(手動(dòng)、遙控)，讓水平移動(dòng)板向右移動(dòng)，直到水平板觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)停止移動(dòng)；

2)把貼有毛巾面的摩擦塊放在水平移動(dòng)板的中間位置，另一端掛在傳感器的掛鉤上；

3)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)軟件“開(kāi)始”，將傳感器調(diào)零；

4)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，力傳感器采集拉力的變化曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值(根據(jù)二力平衡可知f=F)；

5)翻轉(zhuǎn)摩擦塊，改變接觸面的粗糙程度，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，采集多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

6)分析得出結(jié)論.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面粗糙程度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)其他條件不變時(shí)，滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度有關(guān)，接觸面越粗糙滑動(dòng)摩擦力越大.

3.2 研究滑動(dòng)摩擦力與接觸面面積的關(guān)系

1)將裝置水平放置，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)(手動(dòng)、遙控)，讓水平移動(dòng)板向右移動(dòng)，直到水平板觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)停止移動(dòng)；

2)把3D打印設(shè)計(jì)的不同接觸面面積的摩擦塊放置在水平移動(dòng)板上；

3)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)軟件“開(kāi)始”，將傳感器調(diào)零；

4)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，力傳感器采集拉力的變化曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值(根據(jù)二力平衡可知f=F)；

5)翻轉(zhuǎn)摩擦塊，改變其接觸面面積，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，采集多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

6)分析得出結(jié)論.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面面積的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)其他條件不變時(shí)，滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面面積無(wú)關(guān).

3.3 研究滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系

1)將裝置水平放置，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)(手動(dòng)、遙控)，讓水平移動(dòng)板向右移動(dòng)，直到水平板觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)停止移動(dòng)；

2)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)軟件“開(kāi)始”，將傳感器調(diào)零；

3)把貼有魔術(shù)貼毛面的摩擦塊放在水平移動(dòng)板中間，另一端的細(xì)線掛在力傳感器的掛鉤上；

4)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，力傳感器采集拉力的變化曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值(根據(jù)二力平衡可知f=F)，光電門自動(dòng)記錄底板移動(dòng)的速度；

5)多次調(diào)整控制水平板的無(wú)級(jí)調(diào)速旋鈕，改變木板水平運(yùn)動(dòng)的速度，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，采集多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

6)持續(xù)調(diào)節(jié)調(diào)速旋鈕，連續(xù)改變木板運(yùn)動(dòng)的速度；

7)分析得出結(jié)論.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：其他條件不變時(shí)，滑動(dòng)摩擦力的大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)[1].

3.4 研究滑動(dòng)摩擦力與壓力的關(guān)系

1)將裝置豎直放置，如圖2所示,調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)(手動(dòng)、遙控)，讓水平移動(dòng)板向上移動(dòng)，直到水平板觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)停止移動(dòng)；

2)把帶線的摩擦塊掛在力傳感器上，將兩傳感器調(diào)零；

3)將摩擦塊側(cè)面任意1根橡皮筋掛在側(cè)面力傳感器上，測(cè)量出此時(shí)的壓力值；

4)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，底板向下移動(dòng)，可得到上力傳感器的變化值曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值得到滑動(dòng)摩擦力大小(根據(jù)力的平衡可知傳感器數(shù)據(jù)的變化量就是摩擦力的大小)；

5)通過(guò)不斷增加皮筋的數(shù)量來(lái)改變正壓力的大小，采集多組數(shù)據(jù)；

6)分析得到結(jié)論.

圖2 探究滑動(dòng)摩擦力與壓力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示. 用Excel進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3所示.

表4 滑動(dòng)摩擦力與壓力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 滑動(dòng)摩擦力與壓力的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)其他條件不變，滑動(dòng)摩擦力的大小與壓力成正比[2].

3.5 研究滑動(dòng)摩擦力與摩擦塊重力的關(guān)系

1)將裝置翻轉(zhuǎn)90°豎直放置，如圖2所示；

2)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)(手動(dòng)、遙控)，讓水平移動(dòng)板向上移動(dòng)，直到水平板觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)停止移動(dòng)；

3)點(diǎn)擊開(kāi)“開(kāi)始”，將傳感器調(diào)零，將摩擦塊掛在傳感器上，記錄摩擦塊的重力，傳感器再次調(diào)零；

4)將摩擦塊側(cè)面任意1根橡皮筋掛在側(cè)面力傳感器上；

5)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，底板向下移動(dòng)，可以得到上力傳感器的變化值曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值；

6)將不同的配重片對(duì)稱安裝在空心摩擦塊的內(nèi)側(cè)，改變摩擦塊的重力大小(側(cè)面橡皮筋數(shù)量不變，控制其壓力一定)，采集多組數(shù)據(jù)；

7)分析得到結(jié)論.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 滑動(dòng)摩擦力與摩擦塊重力的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：其他條件不變時(shí)，滑動(dòng)摩擦力大小與重力無(wú)關(guān).

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)裝置利用推桿帶動(dòng)底板運(yùn)動(dòng)，可手動(dòng)、遙控操作，既方便，又穩(wěn)定. 利用DIS力傳感器采集圖像，準(zhǔn)確、直觀、效果好. 巧妙設(shè)計(jì)裝置豎直翻轉(zhuǎn)90°，解決教材在探究滑動(dòng)摩擦力與壓力關(guān)系時(shí)，在摩擦塊上放上重物來(lái)改變壓力，帶來(lái)的壓力變化的同時(shí)重力也發(fā)生變化的問(wèn)題. 裝置功能多，可以全面探究滑動(dòng)摩擦力的各影響因素，培養(yǎng)學(xué)生探索興趣，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).