摩擦力的探究实验

2022-09-11

摩擦现象在生活中十分常见, 无论是人行走还是刹车, 以及冰球比赛等都与摩擦有关, 在物理教学中摩擦力与重力、弹力作为常见的三个力, 在高中物理教学中占有重要地位, 在高考中也占有一定比重。

1问题的提出

摩擦力分为动摩擦力和静摩擦力。滑动摩擦力大小与物体间的压力和接触面的粗糙程度有关, 与接触面的大小无关[1]。传统实验运用弹簧秤充当测力工具, 水平拉动桌面上的滑块做匀速直线运动, 由二力平衡读出弹簧秤示数表示滑块所受摩擦力的大小; 通过在桌面上铺毛巾等物品改变滑块的接触材料, 用弹簧秤匀速拉滑块研究滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度和接触面材料关系;通过增加滑块质量来增大滑块与桌面间的压力, 匀速拉滑块研究滑动摩擦力的大小与接触面的压力之间的关系。

在具体实验操作中遇到以下两个问题: (1) 匀速拉动不易于控制; (2) 弹簧测力计动态的示数不便于读取。因此在实验中效果展示效果不好, 误差大。在学习完压强知识, 知道压力的作用效果, 即压强与表面积有关, 部分同学反思摩擦力与滑块接触面积是否有关。在讲述静摩擦力时, 教师常举出用力推讲台, 讲台没有被推动来说明静摩擦的存在, 增大推力, 讲台仍然不动来说明讲台受到地面的静摩擦力变大。而学生遇到的试题中, 通常给出静摩擦力的范围是从零到最大静摩擦力 (0

2实验方案的制定

2 表示绒布面, 3 表示纱布面, 宽1 面、窄面1’表示木质面

实验装置[2]如图1 在桌面上放置一块木质滑块B, 滑块B上放置滑块A, 滑块A的一侧与力传感器相连并通过铁架台固定, 实验中拉动滑块B, 在水平方向上滑块A受到滑块B对其的滑动摩擦力和力传感器对其的拉力, 在拉动过程中滑块A始终静止, 因此, 力传感器记录的是滑块A与滑块B之间的滑动摩擦力大小。

3实验数据的处理与分析

3.1滑动摩擦力

滑块A的质量为360.2g, 逐步增加钩码到滑块A上, 来逐步改变滑块AB间的正压力大小, 拉动滑块B来测定滑动摩擦力大小与滑块AB间压力大小关系。

通过分别比较表1、表2、表3, 我们可得出, 在接触面材料相同时, 相同滑块间动摩擦力大小随着压力的增大而增大, 与压力成正比。

由FN与Ff图像进行拟合, 可知数据直线的斜率即为木块的动摩擦因数, 同时比较表1 和表2 可得出, 在接触面材料相同时, 用同一木块宽面和窄面滑块受到的滑动动摩擦力大小相同, 且由表1 和表2 的数据拟合图3 可得, 同一木块宽面和窄面的动摩擦因数分别为0.2699±0.004 和0.2721±0.003, 即相同滑块间动摩擦力大小与接触面大小无关。比较表1 和表3, 或表2 和表3 得出, 滑动摩擦力大小与接触面的粗糙程度有关, 同理, 由图4 可知砂纸间的动摩擦因数为0.387±0.005。

反思:横向移动物体只需考虑摩擦力大小, 移动物体所需的拉力或推力小于物体重力, 所以在水平面上大力士拉动飞机的表演也是能够理解的。

3.2 静摩擦力

利用DIS力传感器的实时性, 在拉动滑块B的过程中, 每间隔0.2 秒记录一次数据, 从而记录整个拉动过程中滑块AB之间的摩擦力大小随时间的变化关系。将数据进行绘图, 如图5 纵坐标表示的是拉力大小, 横坐标表示时间。

分析可得, 在未拉滑块B时候, AB间摩擦力为零;在用力拉滑块B而滑块AB间没有拉动的过程中, 滑块A受到静摩擦力, 静摩擦力大小随拉力增大而增大, 直至图中a点最大;当滑块B开始拉动后, 滑块AB间的摩擦力慢慢变小。直至滑块B完全被拉动后, 滑块AB之间的摩擦力为动摩擦力, 动摩擦力大小不变。因此, 在物体间存在静摩擦力, 静摩擦力的大小是在一定的范围内, 且存在最大的静摩擦力, 最大静摩擦力的数值大于动摩擦力。通过实验验证了最大摩擦力大的存在, 解决了学生在题目中遇到的困惑。

综上所述, 利用DIS信息系统, 准确科学的收集数据, 能很好地验证动摩擦力大小与压力大小和接触面的材料和粗糙程度有关, 与接触面积大小无关。并结合Origin数据处理软件拟合图线, 可计算出不同材料的滑动摩擦因数的大小。且能直观地展示最大静摩擦存在并测定最大静摩擦力的大小。上海市二期课改引进了DIS系统及各种类型的传感器, 如何将它们充分利用起来为物理教学服务, 是物理教学工作者需要思考的问题。

摘要：利用力学传感器准确测定滑动摩擦力, 探究影响滑动摩擦力大小的因素和动摩擦因数大小, 巧妙测定静摩擦力并验证了最大静摩擦的范围性。

关键词：滑动摩擦力,滑动摩擦因数,最大静摩擦力