摩擦力實(shí)驗(yàn)研究及啟示

李天宇

摘要：在高中物理的學(xué)習(xí)中，摩擦力知識(shí)是主要的學(xué)習(xí)難點(diǎn)之一，由于摩擦力問(wèn)題具有較高的復(fù)雜性，并且相關(guān)概念十分抽象，需要借助實(shí)驗(yàn)來(lái)完成這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)。因此，我們需要對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程中應(yīng)用的摩擦力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，以期通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)帶來(lái)一些啟示。本文將對(duì)高中物理學(xué)習(xí)中的摩擦力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，探討這些實(shí)驗(yàn)對(duì)我們的啟示。

關(guān)鍵詞：高中物理;摩擦力;實(shí)驗(yàn)研究

1引言

在高中物理知識(shí)中，摩擦力知識(shí)的學(xué)習(xí)具有一定的難度，是學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)內(nèi)容。摩擦力是最常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，在對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行研究的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)發(fā)揮著十分重要的作用。通過(guò)摩擦力實(shí)驗(yàn)，我們能夠揭示出摩擦力的本質(zhì)，同時(shí)鍛煉了我們自己的動(dòng)手能力，對(duì)我們學(xué)好這部分知識(shí)有很大的幫助，因此，我們需要對(duì)摩擦力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

2摩擦力實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題

在對(duì)影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素進(jìn)行研究的過(guò)程中，我們可以通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)完成研究：

使用上圖中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用彈簧測(cè)力計(jì)將木塊勻速拉動(dòng)，保證木塊能夠沿著長(zhǎng)模板滑動(dòng)，這樣能夠使用彈簧測(cè)力計(jì)檢測(cè)出木塊與長(zhǎng)木板之間的滑動(dòng)摩擦力。在完成這些操作后，繼續(xù)以下操作，第一，在木塊上放置砝碼，增加木塊對(duì)長(zhǎng)模板的壓力，其他條件保持不變，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第二，在長(zhǎng)木板表面鋪上毛巾或棉布等材料，改變木塊與長(zhǎng)模板之間接觸面的粗糙度，其他條件保持不變，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們可以驗(yàn)證影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素。但是，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，存在以下問(wèn)題：首先，即使將木塊與長(zhǎng)木板的接觸面使用砂紙打磨光滑，并且保證粗糙度均勻，想要保證實(shí)驗(yàn)中木塊發(fā)生勻速直線運(yùn)動(dòng)的難度也很大。其次，在木塊的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，想要準(zhǔn)確的讀取彈簧測(cè)力計(jì)度數(shù)的難度較大。再次，通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)木塊，想要保證拉動(dòng)過(guò)程中木塊始終保持水平的難度較大。

為了解決以上實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，我們可以通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)對(duì)影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素進(jìn)行研究：

使用上圖中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將長(zhǎng)模板調(diào)整為水平狀態(tài)，向砝碼盤(pán)中不斷增加砝碼，每加一次砝碼都要用手推以下木塊，直到木塊能夠在長(zhǎng)木板上勻速運(yùn)動(dòng)，這是砝碼盤(pán)內(nèi)砝碼的質(zhì)量就是木塊與長(zhǎng)模板之間滑動(dòng)摩擦力的大小。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素進(jìn)行研究，能夠保證木塊與長(zhǎng)木板之間發(fā)生勻速運(yùn)動(dòng)，讀取摩擦力大小的難度也大幅度降低，并且能夠保持木塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中處于水平狀態(tài)。但是，這種實(shí)驗(yàn)方法的調(diào)節(jié)過(guò)程過(guò)于繁瑣，想要尋找到合適的砝碼組合使木塊發(fā)生勻速運(yùn)動(dòng)的也有一定的難度，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。

3摩擦力實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化

在高中物理教材中，摩擦力實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)依據(jù)是二力平衡原理，如果木塊保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，其在水平方向上受到的拉力將與其摩擦力保持平衡，可以通過(guò)檢測(cè)拉力來(lái)確定摩擦力的大小。在這個(gè)過(guò)程中，二力平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡，通過(guò)運(yùn)動(dòng)平衡判斷力的平衡，但是通過(guò)手和眼判斷運(yùn)動(dòng)平衡會(huì)存在一定的誤差，進(jìn)而造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在誤差。因此，我們可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行以下優(yōu)化：使用電機(jī)代替手，拉動(dòng)木塊，使其發(fā)生勻速直線運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用小型電機(jī)來(lái)拉動(dòng)木塊，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定，在短時(shí)間內(nèi)可以將木塊的運(yùn)動(dòng)看做為勻速運(yùn)動(dòng)，在勻速運(yùn)動(dòng)中，木塊處于二力平衡狀態(tài)，可以通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)確定摩擦力的大小。

使用上圖中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將小型電機(jī)固定的木塊內(nèi)，將一根繩子系在電機(jī)軸上，繩子的另一端則系在彈簧測(cè)力計(jì)的掛鉤上，將彈簧測(cè)力計(jì)水平放置，固定好另一端，為小型電機(jī)通電后，木塊就會(huì)向右運(yùn)動(dòng)，這時(shí)我們可以讀取彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，能夠避免因使用手拉動(dòng)木塊而造成的木塊無(wú)法勻速運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，并且可以保證彈簧測(cè)力計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，減少了我們?cè)谌庋圩x數(shù)過(guò)程中存在的誤差，是對(duì)教材中摩擦力實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步優(yōu)化，能夠使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，我們可以通過(guò)準(zhǔn)確的結(jié)果摩擦力的產(chǎn)生以及性質(zhì)產(chǎn)生更加深刻的認(rèn)識(shí)。

4數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

在通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)摩擦力問(wèn)題進(jìn)行研究的過(guò)程中，我們可以應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為研究過(guò)程提供更好的支持。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由力學(xué)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)以及系統(tǒng)軟件組成，在使用這種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，能夠簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程，使實(shí)驗(yàn)更加容易實(shí)現(xiàn)，并且可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的圖線，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中摩擦力的變化情況進(jìn)行全程跟蹤。還能夠?qū)崿F(xiàn)圖線擬合，給出需要的變化規(guī)律數(shù)學(xué)表達(dá)式。

使用上圖中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用手拉模板，并逐漸增加拉力大小，在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行同步處理，輸出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

上圖輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是摩擦力隨時(shí)間變化的圖線，能夠反映出整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中摩擦力的變化情況。其中對(duì)摩擦力的描述可以分為三個(gè)階段：第一，摩擦力增大階段。在這個(gè)階段中，摩擦力從零開(kāi)始不斷增加，直至最大值。第二，摩擦力減小階段。在這個(gè)階段中，摩擦力由最大值迅速減小。第三，摩擦力保持階段。在這個(gè)階段中，摩擦力基本保持不變，圖線有紋波出現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中，我們可以看出，最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力，在由最大靜摩擦力向滑動(dòng)摩擦力轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，摩擦力的變化是快速的、連續(xù)的，并且滑動(dòng)摩擦力在滑動(dòng)的過(guò)程中并不是恒定不變的，而是會(huì)出現(xiàn)小幅度的變化，但是這種幅度的變化無(wú)法通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)或肉眼識(shí)別到。

通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們能夠?qū)δΣ亮Φ漠a(chǎn)生與變化過(guò)程產(chǎn)生更加清晰的認(rèn)識(shí)，建立完整的圖景，由于滑動(dòng)摩擦力的紋波與物體表面的凹凸形狀相似，因此，我們能夠?qū)⒛Σ亮Φ漠a(chǎn)生原因與摩擦力的性質(zhì)就能夠輕易的聯(lián)系起來(lái)，形成更加清晰的摩擦力知識(shí)結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)描繪出的摩擦力變化過(guò)程能夠與摩擦的凹凸嚙合學(xué)說(shuō)取得一致。

凹凸嚙合學(xué)說(shuō)是一種解釋摩擦力本質(zhì)的學(xué)說(shuō)，在這個(gè)學(xué)說(shuō)中，將摩擦力的本質(zhì)解釋為：摩擦力的產(chǎn)生是由于互相接觸的物體表面粗糙不平，在發(fā)生接觸擠壓時(shí)，接觸面上的凹凸部分發(fā)生互相嚙合，產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的力。在這個(gè)過(guò)程中，擠壓的壓力越大，嚙合就會(huì)越緊，摩擦力也就越大。為了使物體能夠運(yùn)動(dòng)，必須有外力客服這些嚙合產(chǎn)生的力，需要的最小外力就等于最大靜摩擦力。在物體運(yùn)動(dòng)后，其重心會(huì)高于靜止?fàn)顟B(tài)，接觸面的嚙合程度就會(huì)減小，產(chǎn)生的摩擦力也就會(huì)隨之減小，因此，滑動(dòng)摩擦力略小于最大靜摩擦力。與此同時(shí)，雖然接觸面的粗糙度基本相同，但仍然存在不一致的現(xiàn)象，因此，滑動(dòng)摩擦力會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的現(xiàn)象，并不是一直處于不變的狀態(tài)。

5結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在高中物理的學(xué)習(xí)過(guò)程中，摩擦力問(wèn)題的難度較高，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)其進(jìn)行深入的研究，確保我們能夠更加清晰的理解摩擦力的原理與性質(zhì)。因此，為了提高學(xué)習(xí)效率，我們必須采用最適合的實(shí)驗(yàn)方式，確保其在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，降低摩擦力知識(shí)的學(xué)習(xí)難度，能夠有效的提高學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)習(xí)成績(jī)的提升。

參考文獻(xiàn)

[1]陳丹丹，馮霞.探究牲教學(xué)設(shè)計(jì)摩擦力實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考.2017（14）

[2]李參軍，黃平安.對(duì)探究影響摩擦力大小因素實(shí)驗(yàn)的分析及改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn).2014（11）

[4]周劍.蘇科版教材中“探究滑動(dòng)摩擦力”實(shí)驗(yàn)的分析與改進(jìn)[J].中學(xué)物理.2014（06）

[5]聞月豐，彭松林.探究“滑動(dòng)摩擦力大小的影響因素”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].物理教學(xué)探討.2013（09）

（作者單位：河南省商丘市第一高級(jí)中學(xué)）