自行組裝的摩擦力演示器

高中物理摩擦力的演示實(shí)驗(yàn)要解決四個(gè)主要問題：一是在教室內(nèi)課堂上要能夠使學(xué)生便于觀察，可見度明顯；二是要盡可能減小實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差；三是要考慮學(xué)生的知識(shí)領(lǐng)域和接受水平；四是實(shí)驗(yàn)的可操作性。而彈簧測力計(jì)可見度差，稍遠(yuǎn)距離的學(xué)生在讀數(shù)時(shí)有困難，且測力計(jì)桿摩擦力大；利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等設(shè)備來探究摩擦力的方法對(duì)普通高中學(xué)生來說，知識(shí)水平有限，效果不佳。為此，本人設(shè)計(jì)組裝了一套摩擦力演示裝置，效果不錯(cuò)，介紹如下。

1 制作介紹

（1）帶軌道的合金平板①（100cm×7cm×1.5cm，軌道凸起，兩端滑輪高度可調(diào)節(jié)）；將物理實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的一端帶有滑輪的合金平板另一端多余部分（固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器用）卸下，換上與左端同樣的滑輪，在圖1所示中，注意應(yīng)豎在軌道上方（比左邊高）。

（2）平板小車②(80cm×10cm×4cm)：可將實(shí)驗(yàn)室中塑料小車，如圖2所示，上端削平，中間鋸開，用螺絲緊固在厚1㎝的長木板上（車輪軸要前后對(duì)正、平行），長木板左端能系細(xì)繩，在適當(dāng)?shù)奈恢觅N上毛刷，如圖1所示。塑料小車應(yīng)選用軸動(dòng)式的，輪軸部分剖面圖，如圖3所示。

（3）滑塊③（10cm×8cm×4cm）：取與（1）中相同的滑輪的一部分裝在滑塊一端，構(gòu)成動(dòng)滑輪，一面捆上毛刷（方便卸下）。

（4）羊眼圈④：呈“弓”字形，可用普通鐵絲彎制而成，用于控制拉繩水平。

（5）電子秤⑤。規(guī)格：最小分度值1g。

（6）重物⑥：適當(dāng)重即可，系上不易拉伸的細(xì)繩。

小車在軌道平板上，類同火車在鐵軌上。不同的是實(shí)驗(yàn)過程中由于小車幾乎不動(dòng)，滾動(dòng)摩擦影響微乎其微，完全可忽略。

2 操作方法及原理

裝置可演示或探究摩擦力（靜摩擦力或滑動(dòng)摩擦力）的大小、方向；探究相互作用的一對(duì)摩擦力（靜摩擦力或

影響因素（與外力、速度、接觸面積無關(guān)）；定量測定動(dòng)摩擦因素μ，并得出F=μFN。

（1）在圖1所示中，按位置將裝置裝好并保持水平，小桌桌面比軌道平板略短，右端細(xì)繩穿過羊眼圈。

（2）演示相互作用的一對(duì)摩擦力方向：將平板車有毛刷的一面朝上，滑塊有毛刷的一面朝下，當(dāng)兩個(gè)毛刷面相互接觸時(shí)即可利用毛刷演示平板車受到的摩擦力方向向右，滑塊受到的摩擦力方向向左，得出：相互作用的一對(duì)摩擦力方向相反。完畢取下滑塊上的毛刷，將小車復(fù)位。

（3）開啟電子秤，向右推動(dòng)小車，調(diào)節(jié)左端滑輪使繩保持水平，將左端重物吊起后再放下，以確保電子秤上方的細(xì)繩豎直，這樣繩的拉力才可由電子秤測出。同理，調(diào)整右端電子秤上方的細(xì)繩豎直，穿過動(dòng)滑輪的細(xì)繩都要保持水平，最上方的一根水平繩可通過有羊眼圈的“弓”字形鐵絲調(diào)節(jié)至水平。

（4）按下電子秤“去皮”按鈕，可看到讀數(shù)變?yōu)椤?”。如果豎直向上輕提重物，注意不要離開電子秤臺(tái)面，可觀察到電子秤顯示負(fù)數(shù)，例如“－0.980”，即表示拉力為0.980kg力。此處應(yīng)向?qū)W生說明。

（5）探究相互作用的一對(duì)摩擦力大小關(guān)系：輕拉右端穿過羊眼圈的細(xì)繩，由于小車車輪的摩擦可忽略，根據(jù)平衡條件可知，左邊電子秤讀數(shù)即為小車所受摩擦力（靜摩擦力或滑動(dòng)摩擦力）的大小。由動(dòng)滑輪知識(shí)及平衡條件可知，滑塊所受摩擦力（靜摩擦力或滑動(dòng)摩擦力）的大小為右邊電子秤讀數(shù)的兩倍。比較兩邊的讀數(shù)，可知相互作用的一對(duì)摩擦力（靜摩擦力或滑動(dòng)摩擦力）關(guān)系為：大小相等。

（6）取下帶滑輪的滑塊，換上另一無滑輪的滑塊，用一穿過羊眼圈的細(xì)繩牽引，并用羊眼圈將細(xì)繩調(diào)整至水平。此時(shí)左邊的電子秤即可顯示出滑塊與平板車上表面之間摩擦力（靜摩擦力或滑動(dòng)摩擦力）的大小，右邊電子秤留作它用。接下來即可做其它演示或探究摩擦力的實(shí)驗(yàn)，如：最大靜摩擦力；滑動(dòng)摩擦力大小的影響因素等。

（7）定量測定動(dòng)摩擦因數(shù)μ，并得出

F=μFN。

用右邊電子秤測出滑塊質(zhì)量為ｍ1㎏，用穿過羊眼圈的細(xì)繩拉動(dòng)滑塊，此時(shí)左邊電子秤讀數(shù)顯示為ｍ2㎏，由于小車車輪的摩擦可忽略，則滑動(dòng)摩擦力F=ｍ2ｇ，滑塊對(duì)小車的壓力FN=ｍ1ｇ。（ｇ為重力加速度）

在滑塊上增加砝碼，多測幾組數(shù)據(jù)，畫出 F-FN圖像，由圖像可知F與FN成正比。或者畫出ｍ2-ｍ1圖像，可得ｍ2與ｍ1成正比。由圖像求出斜率即可定義動(dòng)摩擦因數(shù)μ，得出F=μFN。

3 注意事項(xiàng)及不足之處

（1）因電子秤精確到0.001㎏，且非常靈敏，所以小車上表面和滑塊下表面要達(dá)到一定的平整度，否則電子秤讀數(shù)會(huì)頻繁跳動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該讀取最穩(wěn)定時(shí)的讀數(shù)，這也是一個(gè)不足之處。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置中對(duì)于小車車輪的要求較高，如圖3所示，應(yīng)調(diào)整好輪軸的松緊，使其摩擦影響最小。每次實(shí)驗(yàn)中松開滑塊拉繩后均發(fā)現(xiàn)左邊電子秤還有讀數(shù)，這說明有摩擦影響，仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，由于有最大靜摩擦力存在，小車可以自動(dòng)待在車輪摩擦影響最小的位置。

(欄目編輯王柏廬)