摩擦力的探究實驗

田潔

摘 要：利用力學傳感器準確測定滑動摩擦力，探究影響滑動摩擦力大小的因素和動摩擦因數(shù)大小，巧妙測定靜摩擦力并驗證了最大靜摩擦的范圍性。

關(guān)鍵詞：滑動摩擦力 滑動摩擦因數(shù) 最大靜摩擦力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：C 文章編號：1672-1578（2016）06-0130-02

摩擦現(xiàn)象在生活中十分常見，無論是人行走還是剎車，以及冰球比賽等都與摩擦有關(guān)，在物理教學中摩擦力與重力、彈力作為常見的三個力，在高中物理教學中占有重要地位，在高考中也占有一定比重。

1 問題的提出

摩擦力分為動摩擦力和靜摩擦力?；瑒幽Σ亮Υ笮∨c物體間的壓力和接觸面的粗糙程度有關(guān)，與接觸面的大小無關(guān)[1]。傳統(tǒng)實驗運用彈簧秤充當測力工具，水平拉動桌面上的滑塊做勻速直線運動，由二力平衡讀出彈簧秤示數(shù)表示滑塊所受摩擦力的大小；通過在桌面上鋪毛巾等物品改變滑塊的接觸材料，用彈簧秤勻速拉滑塊研究滑動摩擦力大小與接觸面粗糙程度和接觸面材料關(guān)系；通過增加滑塊質(zhì)量來增大滑塊與桌面間的壓力，勻速拉滑塊研究滑動摩擦力的大小與接觸面的壓力之間的關(guān)系。

在具體實驗操作中遇到以下兩個問題：（1）勻速拉動不易于控制；（2）彈簧測力計動態(tài)的示數(shù)不便于讀取。因此在實驗中效果展示效果不好，誤差大。在學習完壓強知識，知道壓力的作用效果，即壓強與表面積有關(guān)，部分同學反思摩擦力與滑塊接觸面積是否有關(guān)。在講述靜摩擦力時，教師常舉出用力推講臺，講臺沒有被推動來說明靜摩擦的存在，增大推力，講臺仍然不動來說明講臺受到地面的靜摩擦力變大。而學生遇到的試題中，通常給出靜摩擦力的范圍是從零到最大靜摩擦力（0

2 實驗方案的制定

2表示絨布面，3表示紗布面，寬1面、窄面1表示木質(zhì)面

實驗裝置[2]如圖1在桌面上放置一塊木質(zhì)滑塊B，滑塊B上放置滑塊A，滑塊A的一側(cè)與力傳感器相連并通過鐵架臺固定，實驗中拉動滑塊B，在水平方向上滑塊A受到滑塊B對其的滑動摩擦力和力傳感器對其的拉力，在拉動過程中滑塊A始終靜止，因此，力傳感器記錄的是滑塊A與滑塊B之間的滑動摩擦力大小。

3 實驗數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 滑動摩擦力

滑塊A的質(zhì)量為360.2g， 逐步增加鉤碼到滑塊A上，來逐步改變滑塊AB間的正壓力大小，拉動滑塊B來測定滑動摩擦力大小與滑塊AB間壓力大小關(guān)系。

通過分別比較表1、表2、表3，我們可得出，在接觸面材料相同時，相同滑塊間動摩擦力大小隨著壓力的增大而增大，與壓力成正比。

由FN與Ff圖像進行擬合，可知數(shù)據(jù)直線的斜率即為木塊的動摩擦因數(shù)，同時比較表1和表2可得出，在接觸面材料相同時，用同一木塊寬面和窄面滑塊受到的滑動動摩擦力大小相同，且由表1和表2的數(shù)據(jù)擬合圖3 可得，同一木塊寬面和窄面的動摩擦因數(shù)分別為0.2699±0.004和0.2721±0.003，即相同滑塊間動摩擦力大小與接觸面大小無關(guān)。比較表1和表3，或表2和表3得出，滑動摩擦力大小與接觸面的粗糙程度有關(guān)，同理，由圖4可知砂紙間的動摩擦因數(shù)為0.387±0.005。

反思：橫向移動物體只需考慮摩擦力大小，移動物體所需的拉力或推力小于物體重力，所以在水平面上大力士拉動飛機的表演也是能夠理解的。

3.2 靜摩擦力

利用DIS力傳感器的實時性，在拉動滑塊B的過程中，每間隔0.2秒記錄一次數(shù)據(jù)，從而記錄整個拉動過程中滑塊AB之間的摩擦力大小隨時間的變化關(guān)系。將數(shù)據(jù)進行繪圖，如圖5縱坐標表示的是拉力大小，橫坐標表示時間。

圖5：力傳感器示數(shù)隨時間t的變化

分析可得，在未拉滑塊B時候，AB間摩擦力為零；在用力拉滑塊B而滑塊AB間沒有拉動的過程中，滑塊A受到靜摩擦力，靜摩擦力大小隨拉力增大而增大，直至圖中a點最大；當滑塊B開始拉動后，滑塊AB間的摩擦力慢慢變小。直至滑塊B完全被拉動后，滑塊AB之間的摩擦力為動摩擦力，動摩擦力大小不變。因此，在物體間存在靜摩擦力，靜摩擦力的大小是在一定的范圍內(nèi)，且存在最大的靜摩擦力，最大靜摩擦力的數(shù)值大于動摩擦力。通過實驗驗證了最大摩擦力大的存在，解決了學生在題目中遇到的困惑。

綜上所述，利用DIS信息系統(tǒng)，準確科學的收集數(shù)據(jù)，能很好地驗證動摩擦力大小與壓力大小和接觸面的材料和粗糙程度有關(guān)，與接觸面積大小無關(guān)。并結(jié)合Origin數(shù)據(jù)處理軟件擬合圖線，可計算出不同材料的滑動摩擦因數(shù)的大小。且能直觀地展示最大靜摩擦存在并測定最大靜摩擦力的大小。上海市二期課改引進了DIS系統(tǒng)及各種類型的傳感器，如何將它們充分利用起來為物理教學服務(wù)，是物理教學工作者需要思考的問題。

參考文獻：

[1] 上海市中小學（幼兒園）課程改革委員會.高級中學課本物理高中一年級第一學期（試用本）[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2007.

[3] 彭夷.例談實驗方案的評估與遷移[J].物理教學，2014.