巧用力傳感器研究滑動(dòng)摩擦力

聶應(yīng)才 聶辰熙

(1. 江西省南豐一中,江西 南豐 344500； 2. 南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

“滑動(dòng)摩擦力”為高中物理新課標(biāo)共同必修模塊的物理1的“相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律”部分,對應(yīng)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn):通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)滑動(dòng)摩擦、靜摩擦的規(guī)律,能用動(dòng)摩擦因數(shù)計(jì)算摩擦力．它是人教版必修1第3章“相互作用”第3節(jié)“摩擦力”的內(nèi)容．它是本章節(jié)的重點(diǎn),又是以后學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律、物體平衡、動(dòng)量、能量等知識(shí)的基礎(chǔ)．

傳統(tǒng)探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素一般是手拉著彈簧測力計(jì)牽引木塊在木板上勻速運(yùn)動(dòng),讓學(xué)生觀察測力計(jì)示數(shù),根據(jù)二力平衡得到摩擦力大?。趯?shí)驗(yàn)的過程中，我們發(fā)現(xiàn)了以下問題: (1) 由于測力計(jì)指針和刻度很小，可見性差; (2) 手拉著測力計(jì)牽引物塊“勻速”滑動(dòng),但在實(shí)際操作中很難做到勻速,因此測力計(jì)的讀數(shù)忽大忽小、不穩(wěn)定,不容易觀察; (3) 即使物塊做勻速運(yùn)動(dòng),由于彈簧測力計(jì)也在運(yùn)動(dòng).讀數(shù)時(shí)視線要隨著彈簧測力計(jì)移動(dòng),要準(zhǔn)確讀數(shù)很難,測出的滑動(dòng)摩擦力誤差較大,難以探究出滑動(dòng)摩擦力和壓力之間的定量關(guān)系．有人就對它的裝置進(jìn)行了改進(jìn),可是與滑動(dòng)摩擦力有關(guān)的問題還有“相對運(yùn)動(dòng)”、“壓力的理解”和“μ值的含義”等,這一系列問題都會(huì)造成學(xué)生學(xué)習(xí)困難．筆者嘗試用力傳感器研究滑動(dòng)摩擦力,有效地解決了這些疑難．

1 實(shí)驗(yàn)原理、裝置及器材

實(shí)驗(yàn)原理:摩擦力的測量原理根據(jù)平衡法,即使物體受到的摩擦力與拉力平衡,對拉力進(jìn)行測量．

實(shí)驗(yàn)裝置:如圖1所示,通過在木塊上添減砝碼來改變木塊對下面木板的壓力大小,用細(xì)線將木塊與力傳感器連接起來,固定在靜止的鐵架臺(tái)上,手拉木板,拉木板時(shí)就不需要它勻速運(yùn)動(dòng)了．

實(shí)驗(yàn)儀器:除傳感器和需要的相關(guān)軟件、電腦之外,還需要木塊、繩子、長木板、4個(gè)砝碼(每個(gè)200 g)、長布、鐵絲、隔音棉等．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 滑動(dòng)摩擦力公式的探究

由圖像可知,滑動(dòng)摩擦力與壓力成正比即f∝FN,寫成等式為f=μFN,μ為直線的斜率,即動(dòng)摩擦因數(shù)．

圖2 木塊—木板力波形圖

表1 材料: 木—木

圖3 木—木f-FN圖像

3 μ值的探究

動(dòng)摩擦因數(shù)μ會(huì)跟什么因素有關(guān)?

把木塊下面的木板換成布,重新做實(shí)驗(yàn),力波形圖如圖4所示,數(shù)據(jù)讀取如表2,可見與接觸情況如接觸材料有關(guān),如果換成更粗糙的布,就能得到與接觸粗糙程度有關(guān)．

圖4 木塊—棉布力波形圖

表2 材料:木—布

從圖2和圖4中,不難發(fā)現(xiàn),滑動(dòng)過程中,木塊的滑動(dòng)摩擦力波形不是一條平行時(shí)間軸的直線而是上下有波動(dòng)的,因?yàn)槟緣K在木板或棉布上滑動(dòng)過程中,它們接觸面的平整度難以達(dá)到一致,動(dòng)摩擦因數(shù)μ略有差異,所以實(shí)際平整度完全一樣在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室或生活中是難以做到的,中學(xué)弱化了差異而認(rèn)為它們的動(dòng)摩擦因數(shù)μ各處相等．

將木塊放在棉布上,木塊先側(cè)放,拉動(dòng)棉布,后平放在棉布上,拉動(dòng)棉布,接著還是平放在棉布上,但較快地拉動(dòng)棉布,它們力波形圖為圖5,3次滑動(dòng)摩擦力幾乎都為0.65 N,壓力皆為1.61 N,所以動(dòng)摩擦因數(shù)μ一樣,μ與接觸面積和物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)．

圖5 3種不同方式的力波形圖

4 滑動(dòng)摩擦力方向的探究

圖6 不同方向拉棉布

照圖1把連接木塊和力傳感器的線改成鐵絲,把木塊放在棉布上,當(dāng)布向里拉棉布(靠近傳感器),力顯示為負(fù)值,當(dāng)向外拉(遠(yuǎn)離傳感器),力顯示為正值,如圖6所示．木塊兩次都是處于靜止?fàn)顟B(tài),但它相對棉布的運(yùn)動(dòng)方向不同造成了摩擦力的方向不同．布向外拉,木塊相對棉布是向里,受到的摩擦力向前;棉布向里拉,木塊相對棉布是向外,受到的摩擦力向里壓力傳感器,力顯示就為負(fù)值了．滑動(dòng)摩擦力方向不是取決于物體運(yùn)動(dòng),而是物體相對接觸物體的運(yùn)動(dòng)．

5 壓力的探究

前面探究中,我們都是把木塊放在某物體上,木塊(砝碼)重力產(chǎn)生壓力,它們值相等,難道壓力與重力息息相關(guān)?

把圖1裝置的力傳感器豎直固定在鐵架臺(tái)上,下面豎直地吊著木塊,把隔音棉豎直地挨著木塊向下運(yùn)動(dòng)甚至放手讓隔音棉自由下落,力為不變的1.80 N,木塊與隔音棉間沒有滑動(dòng)摩擦力,因?yàn)樗鼈冎g沒有壓力;當(dāng)用手指壓著木塊,再豎直地向下拉動(dòng)隔音棉,力立即增加,多了滑動(dòng)摩擦力,整體過程力波形圖見圖7．壓力和重力不是一回事,壓力可以由重力產(chǎn)生也可以大小等于重力,其實(shí)也能用與重力毫無關(guān)系的其他方式產(chǎn)生壓力．

圖7 不同壓力下的力波形圖

6 最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系

從圖2木塊與木板某具體壓力下如有4個(gè)砝碼那段摩擦力波形圖我們發(fā)現(xiàn):開始拉木板,曲線就開始上升,趨近于直線的這段就是靜摩擦力,最高點(diǎn)為木塊剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力即最大靜摩擦力;接著木板運(yùn)動(dòng)了,木塊受到滑動(dòng)摩擦力,其值減小,還顯現(xiàn)上下波動(dòng)是因?yàn)槟緣K與木板間的平整度沒能各處一致,但是可以得出最大靜摩擦要大于滑動(dòng)摩擦,也就是說,物體從靜止到滑動(dòng)瞬間,摩擦力發(fā)生了突變,由最大靜摩擦力突變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力,摩擦力大小減小了點(diǎn)．