電子式滑動(dòng)摩擦力探究?jī)x

崔偉

摩擦力是中學(xué)物理的重要概念，探究影響滑動(dòng)摩擦力大小因素以及測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理中兩個(gè)比較典型的探究性實(shí)驗(yàn)和測(cè)量性實(shí)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的測(cè)量滑動(dòng)摩擦力的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1甲所示。要使彈簧測(cè)力計(jì)顯示的示數(shù)恰好等于滑動(dòng)摩擦力的大小，必須使彈簧測(cè)力計(jì)與物塊一起在水平長(zhǎng)板上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，但實(shí)際操作是非常困難的，而且彈簧測(cè)力計(jì)在運(yùn)動(dòng)的過程中要準(zhǔn)確地讀出其示數(shù)也是十分困難的。于是不少教師將其改成了如圖1乙所示的實(shí)驗(yàn)裝置，讓彈簧測(cè)力計(jì)的一端固定，另一端鉤住長(zhǎng)方形木塊，木塊下面是一長(zhǎng)木板，實(shí)驗(yàn)時(shí)拉動(dòng)長(zhǎng)木板，使其向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)與長(zhǎng)方形木塊保持相對(duì)靜止，由于木塊的靜止?fàn)顟B(tài)比勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的操作要容易得多（平衡狀態(tài)的兩種可能的比較），因?yàn)槔瓌?dòng)的是水平長(zhǎng)板，無需考慮水平長(zhǎng)板是否勻速，由于彈簧測(cè)力計(jì)是靜止的，可以方便地從彈簧測(cè)力計(jì)上讀出滑動(dòng)摩擦力的大小。

很顯然，裝置乙比甲的設(shè)計(jì)要科學(xué)得多。它作為初中定性探究影響滑動(dòng)摩擦力大小因素的實(shí)驗(yàn)是可行的，但作為定量探究或要測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)還是有困難的。一是彈簧測(cè)力計(jì)的量程小，分度值大，測(cè)量精度不夠；二是長(zhǎng)木板使該裝置顯得龐大，而且長(zhǎng)木板的運(yùn)動(dòng)還受實(shí)驗(yàn)桌的限制。因此，筆者用精度高的電子秤替代精度低的彈簧測(cè)力計(jì)，用傳送帶替代長(zhǎng)木板，用尼龍搭扣作為木塊底面調(diào)換材料的中介物來改變接觸面的粗糙程度，設(shè)計(jì)并制作了《電子式滑動(dòng)摩擦力探究?jī)x》，實(shí)物如圖2所示。

一、構(gòu)造特點(diǎn)

本儀器主要包括電子秤、壓塊、定滑輪（細(xì)線）、木塊（鉤碼盒）和傳送裝置（手柄）五大部分，如圖3所示。

1.電子秤

從原理上講，電子秤并不是測(cè)量質(zhì)量的儀器，而是測(cè)壓力（其大小等于物體的重力）的裝置，其內(nèi)部裝有力傳感器，可實(shí)現(xiàn)力與電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的質(zhì)量數(shù)值，然后通過顯示屏直接顯示出來。圖4是家用電子廚房秤的實(shí)物圖，它由秤盤、顯示屏和開關(guān)、單位、歸零這三個(gè)按鈕組成?！伴_關(guān)”具有接通電路，使顯示屏工作的功能；“單位”具有轉(zhuǎn)換功能，可以將“克”與“盎司”這二種單位相互轉(zhuǎn)換；“歸零”有去皮功能，能快速測(cè)出物體的凈質(zhì)量。該電子秤的稱量為5kg，感量為1g，轉(zhuǎn)化為測(cè)力計(jì)，稱量為50N，感量為0.01N，能滿足測(cè)力需要。

2.壓塊與定滑輪

該電子秤只能測(cè)壓力，不能測(cè)拉力，但可通過轉(zhuǎn)化測(cè)量獲得。其思路是用壓塊作為轉(zhuǎn)化物，讓其壓在電子秤上，在傳送帶靜止時(shí)，讀出電子秤的示數(shù)m0，當(dāng)傳送帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，木塊受到的滑動(dòng)摩擦力通過細(xì)線上的拉力傳遞，并由定滑輪改變方向，向上拉壓塊，使電子秤的示數(shù)減小為m，其變小量為Δm=m0-m，此時(shí)摩擦力的大小可由f=Δmg計(jì)算得到。

3.木塊與尼龍搭扣

利用實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、c的長(zhǎng)方體木塊作為研究對(duì)象，利用其平面、側(cè)面、立面以及一個(gè)平面和側(cè)面能放置50g鉤碼的圓孔，可以獲得5個(gè)不同的表面積，以此來探究摩擦力是否與其接觸面積有關(guān)。木塊的底面用尼龍搭扣作為調(diào)換材料的中介物，可將質(zhì)量相同的木質(zhì)、紙質(zhì)、細(xì)布、粗布、塑料這五種材料與木塊連接來改變接觸面的粗糙程度。將鉤碼盒里的個(gè)數(shù)不同的50g鉤碼置于木塊上表面的圓孔中，可以方便地改變壓力的大小。

4.傳送裝置

傳送裝置由水管制作的傳動(dòng)軸、布制作的傳送帶和由水管及其接口制作的手柄組成。粗糙的帆布繃緊在二個(gè)傳動(dòng)輪上，就成了傳送帶；手柄直接裝在主動(dòng)輪上，搖動(dòng)手柄使主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。通過從動(dòng)輪帶動(dòng)傳送帶在水平方向運(yùn)動(dòng)，與靜止的木塊發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，改變手柄的搖動(dòng)速度，可以改變木塊相對(duì)滑動(dòng)的速度。

二、使用方法

稱量前，按開關(guān)鍵、歸零鍵，使單位鍵置于克（g），將壓塊置于秤盤的中間，讀出電子秤的示數(shù)，即為壓塊的質(zhì)量m0。

將木塊置于傳送帶上，細(xì)線通過定滑輪分別與壓塊和木塊連接。搖動(dòng)手柄，使傳送帶與木塊之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，讀出此時(shí)電子秤的示數(shù)m。

計(jì)算電子秤的示數(shù)差Δm=m0-m，可以得出滑動(dòng)摩擦力f=Δmg。（g取10m/s2）

三、定量探究

1.探究滑動(dòng)摩擦力與壓力大小的關(guān)系

（1）用電子秤分別測(cè)出木塊、壓塊的質(zhì)量M、m0，并記錄在表1中。

表1

（2）搖動(dòng)手柄，使木塊與傳送帶之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，將此時(shí)電子秤的示數(shù)m記錄在表1中。

（3）在木塊上表面分別加1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)50g的砝碼，在表1中分別記下該時(shí)電子秤的示數(shù)。

（4）完成表1中其他空格的計(jì)算。

（5）將表1中的壓力與摩擦力的相關(guān)數(shù)據(jù)畫成函數(shù)圖像，如圖5所示。

（6）由圖5中的函數(shù)圖像可得出結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小與壓力的大小成正比。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或函數(shù)圖像的斜率還可以求出動(dòng)摩擦因數(shù)。μ1=f1/F=0.213N/0.38N=0.416；同理可得μ2=0.416、μ3=0.415，μ4=0.416，μ5=0.417，最后計(jì)算其平均值：μ=（μ1+μ2+μ3+μ4+μ5）/5=0.416，即為所測(cè)的動(dòng)摩擦因數(shù)。

2.探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面積的關(guān)系

（1）用刻度尺測(cè)出長(zhǎng)方體木塊的長(zhǎng)、寬、高分別為8.9cm、7.2cm、3.4cm，計(jì)算出該木塊平面、側(cè)面和立面的面積分別為64.08cm2、30.26cm2、24.48cm2，在長(zhǎng)方體木塊的一個(gè)平面有4個(gè)直徑為2.5cm的圓孔，該平面的實(shí)際面積為40.40×10-4cm2，一個(gè)側(cè)面有2個(gè)直徑也為2.5cm的圓孔，該側(cè)面實(shí)際面積為20.25×10-4cm2，填入表2相應(yīng)的表格中。

（2）在木塊上放2個(gè)50g的砝碼，對(duì)傳送帶的壓力為1.38N。

（3）分別將木塊平放、側(cè)放和立放，搖動(dòng)手柄，使木塊與傳送帶之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在表2中分別記下電子秤在該時(shí)的示數(shù)。

（4）按上述方法完成表2中其他空格的計(jì)算。

（5）分析表中的數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面積無關(guān)。

表2

3.探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面粗糙程度的關(guān)系

（1）在探究2實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上，用尼龍搭扣將木質(zhì)墊子連接在木塊的底面上，測(cè)量此時(shí)木塊的總質(zhì)量，然后放在傳送帶上，搖動(dòng)手柄，記下電子秤此時(shí)的示數(shù)。

（2）用同樣的方法，將紙質(zhì)的、細(xì)布的、粗布的、塑料的墊子連上，搖動(dòng)手柄，使木塊與傳送帶之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，分別測(cè)出該時(shí)的電子秤的示數(shù)，并將其記錄在表3中。

（3）按前述的方法完成表3中其他空格的計(jì)算。

（4）分析表中的數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：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。

表3

4.探究滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)滑動(dòng)速度的關(guān)系

（1）在探究2實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上，改變手柄的搖動(dòng)速度，進(jìn)而改變木塊與傳送帶之間相對(duì)滑動(dòng)的速度，用電子表分別測(cè)出手柄搖10圈的時(shí)間t，并分別讀出該時(shí)電子秤的示數(shù)，并將其記錄在表4中。

（2）按前述的方法完成表4中其他空格的計(jì)算。

（3）分析表中的數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小與物體相對(duì)滑動(dòng)的速度有關(guān)，其本質(zhì)是相對(duì)滑動(dòng)的速度改變了動(dòng)摩擦因數(shù)，導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦力的大小發(fā)生變化。該動(dòng)摩擦因數(shù)的大小隨相對(duì)滑動(dòng)速度的增大而減小，最后趨于一個(gè)定值，其函數(shù)圖像如圖6所示。

表4

四、總結(jié)提升

1.探究結(jié)論

綜上所述，滑動(dòng)摩擦力f的大小與壓力F的大小成正比，可以用公式f=μF來描述。其中的μ叫動(dòng)摩擦因數(shù)，它是描述物體相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，接觸表面阻礙物體滑動(dòng)能力的一個(gè)物理量。它與接觸表面的粗糙程度和滑動(dòng)的相對(duì)速度有關(guān)，接觸面越粗糙，其阻礙物體相對(duì)滑動(dòng)的能力就越強(qiáng)，物體受到的滑動(dòng)摩擦力就越大。它還隨相對(duì)滑動(dòng)速度的增大而減小，最后趨于一個(gè)定值。當(dāng)相對(duì)速度為0時(shí)，μ就是最大靜摩擦系數(shù)。

2.創(chuàng)新分析

（1）思路新

本探究?jī)x的設(shè)計(jì)思路比較新，采用壓塊作為中介物，將拉力轉(zhuǎn)化為壓力，可以用電子秤來測(cè)滑動(dòng)摩擦力。根據(jù)網(wǎng)上搜索，目前尚未發(fā)現(xiàn)用電子秤測(cè)量摩擦力的。

（2）精度高

本探究?jī)x測(cè)量的精度高，可達(dá)0.01N，如果用稱量為1kg的電子秤，其精度高達(dá)0.001N，是彈簧測(cè)力0.1N的100倍，這為定量探究滑動(dòng)摩擦力的影響因素，實(shí)現(xiàn)由高中學(xué)生通過自己的親身實(shí)驗(yàn)來得出摩擦定律成為可能。

（3）體積小

本探究?jī)x用傳送帶代替長(zhǎng)木板，既可以縮小體積，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，還能改變相對(duì)滑動(dòng)的速度。

（4）操作易

本探究?jī)x用尼龍搭扣作為木塊的底面調(diào)換材料的中介物，連接粗糙程度不同的材料，如木質(zhì)的、紙質(zhì)的、細(xì)布的、粗布的、塑料的，來改變接觸面的粗糙程度，既方便可靠，又節(jié)約材料。在木塊的上表面和側(cè)面開有圓孔，既能改變接觸面積，又能放置鉤碼，很容易改變壓力的大小。使木塊和電子秤處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，既操作簡(jiǎn)單、又使電子秤的示數(shù)穩(wěn)定，極大地提高了實(shí)驗(yàn)效率和測(cè)量精度。

（5）成本低

本探究?jī)x除了電子秤在網(wǎng)上郵購（17元）、木塊與鉤碼利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的器材外，其余都是利用廢舊的三夾板、食品盒、塑料水管及其接口、尼龍搭扣、布、塑料等制作而成。容易加工，便于學(xué)生模仿制作，為鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生建立家庭實(shí)驗(yàn)室起示范和榜樣的作用。

當(dāng)然，在實(shí)際使用的過程中，還存在一些問題，由于手柄是用塑料水管及其接頭制作的，操作時(shí)不夠靈活；傳送帶是用布縫制的，傳動(dòng)軸是由水管制作的，手柄在快速搖動(dòng)時(shí)，有打滑現(xiàn)象，這些問題有待于進(jìn)一步去研究和克服。

（責(zé)任編輯 郭振玲）