一種摩擦力可視化的演示實驗裝置

楊厚發(fā) 馮宇 阿米爾 易庭豐 呂憲魁 鄭永剛

摘 ? 要：物理是一門實驗科學(xué)，實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，信息技術(shù)與實驗的融合可以極大地提升教學(xué)效果。以自制力傳感器和手機軟件Phyphox之間的“藍牙通訊”為背景，結(jié)合實驗通過Phyphox同步繪制出F-t圖像，探究影響滑動摩擦力大小的因素。

關(guān)鍵詞：滑動摩擦力；Phyphox；力傳感器

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2023）7-0049-4

摩擦力在生活中是比較常見的一種力，它可以作為阻力，也可以作為動力，因此深入研究摩擦力的一些性質(zhì)可以給生產(chǎn)生活帶來極大的便利。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求教師通過實驗讓學(xué)生去認識動摩擦的規(guī)律［１］。教材中也設(shè)計了相應(yīng)的探究實驗，該實驗采用彈簧測力計作為讀數(shù)工具。而彈簧測力計裝置比較簡單［２］，因?qū)嶒炦^程中示數(shù)變化過大從而導(dǎo)致實驗結(jié)果誤差較大，且不便于學(xué)生觀察摩擦力大小的變化情況。

本文主要結(jié)合自制力傳感器和Ｐｈｙｐｈｏｘ對以上不足之處作出改進。利用自制力傳感器間接測量滑動摩擦力的大小，并通過藍牙功能將實驗數(shù)據(jù)發(fā)送至手機軟件Ｐｈｙｐｈｏｘ端，Ｐｈｙｐｈｏｘ可以同步繪制出拉力隨時間變化的圖像，以達到將摩擦力大小“可視化”的目的，同時依次改變物體接觸面的粗糙程度、接觸面間的正壓力等，探究影響滑動摩擦力大小的因素。如此既增強了實驗的精準(zhǔn)性，方便了課堂教學(xué)，同時也可以使實驗現(xiàn)象更加直觀，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

１ ? ?裝置創(chuàng)新設(shè)計

１．１ ? ?Pｈｙｐｈｏｘ簡介

Pｈｙｐｈｏｘ是一款免費的物理實驗軟件（圖１），功能顯著，可利用智能手機內(nèi)置的各種傳感器模塊采集實驗數(shù)據(jù)，并且結(jié)合采集的原始實驗數(shù)據(jù)繪制出相關(guān)的實驗圖像。因其操作簡單且效果直觀而被廣泛應(yīng)用到物理實驗改進。由于手機沒有力傳感器功能，故本文自制了一個拉力傳感器，并通過拉力傳感器內(nèi)部的藍牙模塊與Pｈｙｐｈｏｘ連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，Pｈｙｐｈｏｘ同步繪制出拉力隨時間變化的圖像。

１．２ ? ?自制拉力傳感器

自制拉力傳感器主要由Eｓｐ３２開發(fā)板、應(yīng)變式壓力傳感器以及一節(jié)１８６５０充電電池等組成（圖2）。由Aｒｄｕｉｎｏ為Ｅｓｐ３２編寫程序。Ｅｓｐ３２開發(fā)板與其他常見的開發(fā)板相比，性能更穩(wěn)定，體積更小，且自帶藍牙功能，適合用于自制物理教具。

１．３ ? ?實驗裝置

在中學(xué)物理教學(xué)中，多采用彈簧測力計拉動物塊，以探究影響摩擦力大小的因素。為了更直觀地探究此過程中影響摩擦力大小的因素，同時利用現(xiàn)代化信息技術(shù)探索物理學(xué)規(guī)律，自制了一款摩擦力教學(xué)裝置。

裝置主要由自制力傳感器、傳送帶、電源、鐵片、木塊、砂紙、遮光紙、導(dǎo)線組成（圖3）。

１．４ ? ?實驗原理

將自制拉力傳感器固定于與傳送帶運動方向相反的一方。用一根細繩將自制拉力傳感器和傳送帶上的木塊連接。打開傳送帶和自制拉力傳感器的開關(guān)，并通過藍牙將傳感器與Pｈｙｐｈｏｘ連接。隨著細繩逐漸拉伸，某一時刻木塊和傳送帶接觸面發(fā)生相對滑動。此過程Pｈｙｐｈｏｘ會接收到自制拉力傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將其繪制成拉力隨時間變化的圖像。根據(jù)牛頓第三定律可得：滑動過程中細繩對傳感器的拉力大小等于傳感器所受到的滑動摩擦力的大小。

２ ? ?實驗可視化靜摩擦力與動摩擦力的關(guān)系［３］

打開電源，使木塊在傳送帶轉(zhuǎn)動過程中由相對靜止到發(fā)生相對滑動狀態(tài)。通過Pｈｙｐｈｏｘ軟件得出木塊所受摩擦力與時間的關(guān)系（圖4）。圖中傾斜向上的部分為靜摩擦力隨時間的變化，其最高點為最大靜摩擦力。同時，圖中較為水平的部分為滑動摩擦力隨時間的變化。

３ ? ?實驗過程及數(shù)據(jù)分析

３．１ ? ?接觸面粗糙程度不變，探究正壓力大小對滑動摩擦力的影響

在木塊上放置２塊相同規(guī)格的鐵片，打開電源，使木塊在傳送帶上發(fā)生相對滑動，完成一組數(shù)據(jù)后把木塊放回原始位置，依次在木塊上添加２塊相同規(guī)格的鐵片，重復(fù)上述步驟五次，共采集六組數(shù)據(jù)。實驗過程中拉力傳感器采集的數(shù)據(jù)由藍牙模塊發(fā)送至手機端的Pｈｙｐｈｏｘ，與此同時Pｈｙｐｈｏｘ同步繪制出傳感器所受拉力大小隨時間變化的部分圖像（圖5）。

將Pｈｙｐｈｏｘ采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Eｘｃｅｌ表格，對每添加２塊相同規(guī)格的鐵片后木塊所受滑動摩擦力的數(shù)據(jù)進行篩選、取平均。木塊的重力Ｇ＝５０ ｇ，所得數(shù)據(jù)如表１所示。

根據(jù)牛頓第三定律知

Ff=-F（１）

再結(jié)合滑動摩擦力的計算公式

Ff=μF（２）

其中，μ為動摩擦因數(shù)。

在該實驗過程中若考慮木塊在傳送帶上所受重力不變，通過增加鐵片控制正壓力變化，即F等于木塊和鐵片總重力Ｍｇ（F=Mg），由表１實驗結(jié)果利用Ｏｒｉｇｉｎ擬合平均拉力Ｆ與木塊和鐵片總重力Ｍｇ的關(guān)系（圖6）。

由上可得，隨著物體與接觸面間正壓力的增大，物體所受滑動摩擦力也增大，所以物體所受摩擦力大小與物體與接觸面間正壓力成正比。且斜率ｂ等于動摩擦因數(shù)μ。

３．２ ? ?正壓力不變時，探究接觸面粗糙程度對滑動摩擦力的影響

打開電源，使木塊和附加４塊鐵片在傳送帶上發(fā)生相對滑動，第一次滑動以木塊為接觸面；第二次滑動把遮光紙嚴(yán)格貼在木塊上作為接觸面；第三次滑動把遮光紙換成砂紙再次改變接觸面。運動過程拉力傳感器采集的數(shù)據(jù)由藍牙模塊發(fā)送至手機端的Pｈｙｐｈｏｘ，與此同時Pｈｙｐｈｏｘ同步繪制出傳感器所受拉力大小隨時間的變化圖像（圖７）。

已知三個接觸平面的粗糙程度逐次增加，我們可以從力隨時間變化的圖像中得到結(jié)論：在正壓力不變時，隨著接觸面越粗糙，力傳感器上所輸出的力越大，如此即可展示滑動摩擦力大??；結(jié)論：通過電機使物體勻速運動，物體所受滑動摩擦力和拉力大小相等，接觸面越粗糙，物體所受滑動摩擦力越大，并且物體運動過程中滑動摩擦力保持不變。

３．３ ? ?接觸面粗糙程度和正壓力都發(fā)生改變，探究不同接觸面的動摩擦因數(shù)

結(jié)合以上的實驗步驟，對三種接觸面都進行六組數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)出并計算出不同接觸面在不同正壓力下的平均值，且木塊、遮光紙、砂紙接觸面的平均拉力分別用F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3表示，如表２所示。

由（２）式可知，當(dāng)不考慮遮光紙和砂紙質(zhì)量時，由于使用同一木塊，不同接觸面所受平均拉力與木塊和鐵片總重力Ｍｇ的變化關(guān)系如圖8所示。

結(jié)論：

（１）通過擬合曲線可知摩擦力不僅和接觸面的粗糙程度有關(guān)，還與所受正壓力的大小有關(guān)。

（２）可以結(jié)合圖７對不同斜率ｂ進行直觀比較。

４ ? ?結(jié) ?語

本裝置基于傳感器和Ｐｈｙｐｈｏｘ之間的藍牙通訊技術(shù)，利用Ｐｈｙｐｈｏｘ繪制出拉力隨時間變化的圖像，通過實驗簡便、直觀地得出了影響滑動摩擦力大小的因素。相較于教材中的實驗裝置，開發(fā)空間較大、實驗精準(zhǔn)度較高、操作簡單、結(jié)果直觀且制作成本較低?；谝陨咸攸c，該裝置可以作為學(xué)生課堂分組實驗探究的儀器，也可以作為教師課堂實驗演示的儀器，利用希沃白板將Ｐｈｙｐｈｏｘ的實驗界面投屏，方便學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版2020年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０20：３－５，１３－２２.

［２］馬蘭，代偉，李燕秋，等．一種探究影響摩擦力因素的實驗演示儀器［Ｊ］．物理教學(xué)探討，２０１６，３４（７）：１６－１８．

［３］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．普通高中教科書物理必修第一冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

（欄目編輯 ? ?劉 ? 榮）