楊厚發(fā) 馮宇 阿米爾 易庭豐 呂憲魁 鄭永剛

摘 ? 要：物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)的融合可以極大地提升教學(xué)效果。以自制力傳感器和手機(jī)軟件Phyphox之間的“藍(lán)牙通訊”為背景，結(jié)合實(shí)驗(yàn)通過(guò)Phyphox同步繪制出F-t圖像，探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素。

關(guān)鍵詞：滑動(dòng)摩擦力；Phyphox；力傳感器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2023）7-0049-4

摩擦力在生活中是比較常見的一種力，它可以作為阻力，也可以作為動(dòng)力，因此深入研究摩擦力的一些性質(zhì)可以給生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的便利?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生去認(rèn)識(shí)動(dòng)摩擦的規(guī)律［１］。教材中也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的探究實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)采用彈簧測(cè)力計(jì)作為讀數(shù)工具。而彈簧測(cè)力計(jì)裝置比較簡(jiǎn)單［２］，因?qū)嶒?yàn)過(guò)程中示數(shù)變化過(guò)大從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，且不便于學(xué)生觀察摩擦力大小的變化情況。

本文主要結(jié)合自制力傳感器和Ｐｈｙｐｈｏｘ對(duì)以上不足之處作出改進(jìn)。利用自制力傳感器間接測(cè)量滑動(dòng)摩擦力的大小，并通過(guò)藍(lán)牙功能將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)軟件Ｐｈｙｐｈｏｘ端，Ｐｈｙｐｈｏｘ可以同步繪制出拉力隨時(shí)間變化的圖像，以達(dá)到將摩擦力大小“可視化”的目的，同時(shí)依次改變物體接觸面的粗糙程度、接觸面間的正壓力等，探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素。如此既增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性，方便了課堂教學(xué)，同時(shí)也可以使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

１ ? ?裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

１．１ ? ?Pｈｙｐｈｏｘ簡(jiǎn)介

Pｈｙｐｈｏｘ是一款免費(fèi)的物理實(shí)驗(yàn)軟件（圖１），功能顯著，可利用智能手機(jī)內(nèi)置的各種傳感器模塊采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且結(jié)合采集的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)圖像。因其操作簡(jiǎn)單且效果直觀而被廣泛應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)。由于手機(jī)沒(méi)有力傳感器功能，故本文自制了一個(gè)拉力傳感器，并通過(guò)拉力傳感器內(nèi)部的藍(lán)牙模塊與Pｈｙｐｈｏｘ連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，Pｈｙｐｈｏｘ同步繪制出拉力隨時(shí)間變化的圖像。

１．２ ? ?自制拉力傳感器

自制拉力傳感器主要由Eｓｐ３２開發(fā)板、應(yīng)變式壓力傳感器以及一節(jié)１８６５０充電電池等組成（圖2）。由Aｒｄｕｉｎｏ為Ｅｓｐ３２編寫程序。Ｅｓｐ３２開發(fā)板與其他常見的開發(fā)板相比，性能更穩(wěn)定，體積更小，且自帶藍(lán)牙功能，適合用于自制物理教具。

１．３ ? ?實(shí)驗(yàn)裝置

在中學(xué)物理教學(xué)中，多采用彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)物塊，以探究影響摩擦力大小的因素。為了更直觀地探究此過(guò)程中影響摩擦力大小的因素，同時(shí)利用現(xiàn)代化信息技術(shù)探索物理學(xué)規(guī)律，自制了一款摩擦力教學(xué)裝置。

裝置主要由自制力傳感器、傳送帶、電源、鐵片、木塊、砂紙、遮光紙、導(dǎo)線組成（圖3）。

１．４ ? ?實(shí)驗(yàn)原理

將自制拉力傳感器固定于與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向相反的一方。用一根細(xì)繩將自制拉力傳感器和傳送帶上的木塊連接。打開傳送帶和自制拉力傳感器的開關(guān)，并通過(guò)藍(lán)牙將傳感器與Pｈｙｐｈｏｘ連接。隨著細(xì)繩逐漸拉伸，某一時(shí)刻木塊和傳送帶接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。此過(guò)程Pｈｙｐｈｏｘ會(huì)接收到自制拉力傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將其繪制成拉力隨時(shí)間變化的圖像。根據(jù)牛頓第三定律可得：滑動(dòng)過(guò)程中細(xì)繩對(duì)傳感器的拉力大小等于傳感器所受到的滑動(dòng)摩擦力的大小。

２ ? ?實(shí)驗(yàn)可視化靜摩擦力與動(dòng)摩擦力的關(guān)系［３］

打開電源，使木塊在傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由相對(duì)靜止到發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)Pｈｙｐｈｏｘ軟件得出木塊所受摩擦力與時(shí)間的關(guān)系（圖4）。圖中傾斜向上的部分為靜摩擦力隨時(shí)間的變化，其最高點(diǎn)為最大靜摩擦力。同時(shí)，圖中較為水平的部分為滑動(dòng)摩擦力隨時(shí)間的變化。

３ ? ?實(shí)驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

３．１ ? ?接觸面粗糙程度不變，探究正壓力大小對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響

在木塊上放置２塊相同規(guī)格的鐵片，打開電源，使木塊在傳送帶上發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，完成一組數(shù)據(jù)后把木塊放回原始位置，依次在木塊上添加２塊相同規(guī)格的鐵片，重復(fù)上述步驟五次，共采集六組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拉力傳感器采集的數(shù)據(jù)由藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)端的Pｈｙｐｈｏｘ，與此同時(shí)Pｈｙｐｈｏｘ同步繪制出傳感器所受拉力大小隨時(shí)間變化的部分圖像（圖5）。

將Pｈｙｐｈｏｘ采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Eｘｃｅｌ表格，對(duì)每添加２塊相同規(guī)格的鐵片后木塊所受滑動(dòng)摩擦力的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、取平均。木塊的重力Ｇ＝５０ ｇ，所得數(shù)據(jù)如表１所示。

根據(jù)牛頓第三定律知

Ff=-F（１）

再結(jié)合滑動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式

Ff=μF（２）

其中，μ為動(dòng)摩擦因數(shù)。

在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若考慮木塊在傳送帶上所受重力不變，通過(guò)增加鐵片控制正壓力變化，即F等于木塊和鐵片總重力Ｍｇ（F=Mg），由表１實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用Ｏｒｉｇｉｎ擬合平均拉力Ｆ與木塊和鐵片總重力Ｍｇ的關(guān)系（圖6）。

由上可得，隨著物體與接觸面間正壓力的增大，物體所受滑動(dòng)摩擦力也增大，所以物體所受摩擦力大小與物體與接觸面間正壓力成正比。且斜率ｂ等于動(dòng)摩擦因數(shù)μ。

３．２ ? ?正壓力不變時(shí)，探究接觸面粗糙程度對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響

打開電源，使木塊和附加４塊鐵片在傳送帶上發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，第一次滑動(dòng)以木塊為接觸面；第二次滑動(dòng)把遮光紙嚴(yán)格貼在木塊上作為接觸面；第三次滑動(dòng)把遮光紙換成砂紙?jiān)俅胃淖兘佑|面。運(yùn)動(dòng)過(guò)程拉力傳感器采集的數(shù)據(jù)由藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)端的Pｈｙｐｈｏｘ，與此同時(shí)Pｈｙｐｈｏｘ同步繪制出傳感器所受拉力大小隨時(shí)間的變化圖像（圖７）。

已知三個(gè)接觸平面的粗糙程度逐次增加，我們可以從力隨時(shí)間變化的圖像中得到結(jié)論：在正壓力不變時(shí)，隨著接觸面越粗糙，力傳感器上所輸出的力越大，如此即可展示滑動(dòng)摩擦力大??；結(jié)論：通過(guò)電機(jī)使物體勻速運(yùn)動(dòng)，物體所受滑動(dòng)摩擦力和拉力大小相等，接觸面越粗糙，物體所受滑動(dòng)摩擦力越大，并且物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中滑動(dòng)摩擦力保持不變。

３．３ ? ?接觸面粗糙程度和正壓力都發(fā)生改變，探究不同接觸面的動(dòng)摩擦因數(shù)

結(jié)合以上的實(shí)驗(yàn)步驟，對(duì)三種接觸面都進(jìn)行六組數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)出并計(jì)算出不同接觸面在不同正壓力下的平均值，且木塊、遮光紙、砂紙接觸面的平均拉力分別用F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3表示，如表２所示。

由（２）式可知，當(dāng)不考慮遮光紙和砂紙質(zhì)量時(shí)，由于使用同一木塊，不同接觸面所受平均拉力與木塊和鐵片總重力Ｍｇ的變化關(guān)系如圖8所示。

結(jié)論：

（１）通過(guò)擬合曲線可知摩擦力不僅和接觸面的粗糙程度有關(guān)，還與所受正壓力的大小有關(guān)。

（２）可以結(jié)合圖７對(duì)不同斜率ｂ進(jìn)行直觀比較。

４ ? ?結(jié) ?語(yǔ)

本裝置基于傳感器和Ｐｈｙｐｈｏｘ之間的藍(lán)牙通訊技術(shù)，利用Ｐｈｙｐｈｏｘ繪制出拉力隨時(shí)間變化的圖像，通過(guò)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)便、直觀地得出了影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素。相較于教材中的實(shí)驗(yàn)裝置，開發(fā)空間較大、實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度較高、操作簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀且制作成本較低?；谝陨咸攸c(diǎn)，該裝置可以作為學(xué)生課堂分組實(shí)驗(yàn)探究的儀器，也可以作為教師課堂實(shí)驗(yàn)演示的儀器，利用希沃白板將Ｐｈｙｐｈｏｘ的實(shí)驗(yàn)界面投屏，方便學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

［１］中華人民共和國(guó)教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版2020年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０20：３－５，１３－２２.

［２］馬蘭，代偉，李燕秋，等．一種探究影響摩擦力因素的實(shí)驗(yàn)演示儀器［Ｊ］．物理教學(xué)探討，２０１６，３４（７）：１６－１８．

［３］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心．普通高中教科書物理必修第一冊(cè)［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）