滾動摩擦力的測量創(chuàng)新實驗

顧華

摘 要：一個物體在另一個物體表面發(fā)生滾動時產(chǎn)生的摩擦力是滾動摩擦力.在壓力相同的條件下，滾動摩擦力要比滑動摩擦力小很多.研究滾動摩擦力對于生活的指導(dǎo)意義應(yīng)該遠(yuǎn)大于滑動摩擦.

關(guān)鍵詞：滾動摩擦力;滑動摩擦力;DIS;控制變量

中圖分類號：G632文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0333（2021）10-0090-02

滾動摩擦力生活中處處可見，大到汽車飛機，小到一個小小軸承，處處都有滾動摩擦力的身影.研究滾動摩擦力對于生活的指導(dǎo)意義應(yīng)該遠(yuǎn)大于滑動摩擦.但是在人教版必修一中關(guān)于滾動摩擦力的認(rèn)識只有很少的一段文字：滾動摩擦是一個物體在另一個物體表面上滾動時產(chǎn)生的摩擦.當(dāng)壓力相同時，滾動摩擦比滑動摩擦小很多.

什么是滾動摩擦力？滾動摩擦力很小，小到什么程度？在壓力相同的條件下，滾動摩擦力要比滑動摩擦力小很多，到底是小多少？比較滾動摩擦力和滑動摩擦力的時候，為什么要在壓力相同的情況下？這些疑問，今天在這里我們借助先進(jìn)的DIS技術(shù)把它們一一解決.

一、滾動摩擦力的實驗測定

根據(jù)滾動摩擦力的定義，一個物體在另外一個物體表面發(fā)生滾動時產(chǎn)生的摩擦力，我們確定以下實驗方案.如圖1所示將兩有機玻璃棒放置在長木板的下方，使得長木板下表面受到滾動摩擦.同時使用傳統(tǒng)的力的測量工具——彈簧測力計，實際操作下來，發(fā)現(xiàn)實驗中滾動摩擦力太小，彈簧測力計無法捕捉，如圖2所示.

使用先進(jìn)的DIS數(shù)據(jù)采集器，發(fā)現(xiàn)能捕捉微小的滾動摩擦力，如圖3所示，但是因為物體的勻速直線運動是很難模擬的，所以實驗的方案需進(jìn)一步改進(jìn);

結(jié)合滑動摩擦力實驗測量的改進(jìn)方案，確定以下改進(jìn)方案.

1.實驗原理

如圖4所示，滑塊固定，水平緩慢拖動長木板;根據(jù)滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，滑塊所受長木板上表面所給的滑動摩擦力即為靜力傳感器1所顯示力的大小（F1=f1）;根據(jù)牛頓第三定律，長木板上表面所受滑塊摩擦力與其等大反向;根據(jù)長木板穩(wěn)定緩慢移動，水平方向受力分析可知，靜力傳感器2所采集到的是長木板上下兩表面所受摩擦力之和（F2=f1+f2），根據(jù)矢量合成法則和摩擦力產(chǎn)生條件可知，長木板下表面所受滾動摩擦力的大小即為靜力傳感器2的數(shù)值減去靜力傳感器1的數(shù)值（f2=F2-f1），如圖5所示;

2.實驗具體操作

（1） 固定支架在桌面上，將靜力傳感器1固定在支架上，另一端連接裝有鉤碼的滑塊;

（2） 將靜力傳感器2使用木板水平與連接長木板，使水平拖動長木板時，傳感器2中的力始終處于水平方向;

（3）將兩滾軸平行放置在長木板下方;

（4）打開DIS數(shù)字系統(tǒng)，數(shù)據(jù)調(diào)零后，點擊開始按鈕;

（5）水平拖動長木板，記錄實驗數(shù)據(jù);

（6）選擇合適的數(shù)據(jù)區(qū)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)直線擬合;兩直線縱軸截距之差即為當(dāng)前長木板下方所受滾動摩擦力大小.

3.數(shù)據(jù)記錄與處理

大量的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)長木板緩慢抽動時，兩傳感器數(shù)據(jù)存在一個固定的差值.選擇合適區(qū)域，進(jìn)行DIS數(shù)據(jù)擬合，擬合后發(fā)現(xiàn)，兩力的傳感器采集數(shù)據(jù)趨向兩條直線，如圖6所示.兩線段的縱軸截距根據(jù)實驗原理可以捕捉到，兩截距之差即為當(dāng)前滾動摩擦力大小.

f2=0.40016-0.22948=0.17068 N

二、滾動摩擦力、滑動摩擦力比較

如圖7所示，將兩平行滾軸取出;打開DIS數(shù)字系統(tǒng)，數(shù)據(jù)調(diào)零后，點擊開始按鈕;水平拖動長木板，記錄實驗數(shù)據(jù);選擇合適的數(shù)據(jù)區(qū)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)直線擬合;兩直線縱軸截距之差即為當(dāng)前長木板下方所受滑動摩擦力大小.數(shù)據(jù)記錄與處理：

數(shù)據(jù)定性比較，如圖8所示：

擬合數(shù)據(jù)分析，如圖9所示：

兩直線縱軸截距之差即為長木板下方相同條件下所受滑動摩檫力摩擦力;

f2=3.40512-0.25341=3.15171 N

相同壓力條件下，滑動摩擦力約為滾動摩擦力的18.5倍.

三、探究滾動摩擦力影響因素

猜測可能影響因素：壓力大小、接觸面材料、滾輪半徑大?。▽嶒灄l件限制暫不做探究）

實驗方法：控制變量法

1.滾動摩擦——壓力影響

壓力條件F1/N擬合截距F2/N擬合截距滾動摩擦力f2/N

滑塊內(nèi)4個鉤碼0.229480.400160.17068

滑塊內(nèi)6個鉤碼0.48171

0.719700.23799

滑塊內(nèi)8個鉤碼

0.99662

1.38166

0.38504

小結(jié)： 在其它條件都不變的情況下，壓力越大，滾動摩擦力越大.

2.滾動摩擦——接觸面影響

在其它條件都不改變的方法，把有機玻璃棒更換為鐵棒，實驗數(shù)據(jù)如圖10所示.

小結(jié)： 在其它條件都不變的情況下，接觸面材料不同，滾動摩擦力也不同.

實驗總結(jié)：借助先進(jìn)的DIS技術(shù)、大量的實驗數(shù)據(jù)，我們可以很直觀的總結(jié)出滾動摩擦力一般都很小;在相同壓力條件下，滾動摩擦力要比滑動摩檫力小很多等結(jié)論.同時控制變量的比較探究實驗，讓我們的壓力、接觸面的粗糙程度是影響滾動摩擦力的因素猜想得以直接驗證.

四、實驗價值與誤差分析

1.實驗價值

實驗價值1：借助先進(jìn)的數(shù)字化教學(xué)手段，將抽象的滾動摩擦力直觀呈現(xiàn)出來，并對其大小影響因素有初步的定量探究;

實驗價值2：對于抽象的兩面上的摩擦力模型，有更深的認(rèn)識;指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析摩擦力產(chǎn)生和方向判斷，學(xué)會從實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律;

實驗價值3：在控制其他變量都不變的情況下，讓學(xué)生進(jìn)一步對教材中所述“在壓力相同時，滾動摩擦比滑動摩擦小的多.”有定量探究.

2.實驗誤差分析

誤差來源1：由于木板自重影響，使得實驗數(shù)據(jù)的寬度受到一定的影響.

誤差來源2：兩次更換固定物塊支架，造成相同條件下，物塊所受滑動摩擦力略有變化，但對每一次實驗的結(jié)果不造成影響;

誤差來源3：力的傳感器與數(shù)據(jù)采集器為有線連接，對實驗造成一定的局限性，如果能將力的傳感器制作為藍(lán)牙連接，數(shù)據(jù)采集器直接做成USB連接在電腦端，數(shù)據(jù)效果相信更好.

誤差來源4：材料探究中，鐵棒的表面銹斑是造成實驗數(shù)據(jù)跳躍變化的主要原因.

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理必修1教師參考用書[M].北京：人民教育出版社，2010（4）：85-90.

[責(zé)任編輯：李 璟]