DIS系統在摩擦力探究實驗中的應用

焦 飛

(渭南高級中學 陜西 渭南 714000)

1 引言

摩擦力是中學物理中的重要概念，而高中物理教科書上關于摩擦力的實驗卻不多，基本是定性研究，一般采用手拉彈簧測力計的方法.此方法由于很難控制物體勻速運動，且不易觀察，無法進行定量研究.由于摩擦力問題的復雜性，在具體問題中又表現出動中有靜，靜中有動，尤其靜摩擦力在許多情形下似乎又是若有若無，大小方向不定，對于高一學生來說著實不易理解.相比傳統的實驗手段，數字化實驗系統(DIS) 結合力傳感器在摩擦力實驗研究上有著明顯的優勢，筆者嘗試通過DIS實驗系統與相關器材的合理組裝，實驗得出摩擦力變化的圖像，探究了在正壓力、接觸面積、接觸面性質變化以及物體間相對運動速度變化時滑動摩擦力的變化情況.使學生對靜摩擦力的大小變化和最大靜摩擦力與滑動摩擦力關系獲得形象、直觀的動態體驗，彌補了傳統課堂實驗中的不足.

2 實驗器材

數字化實驗系統 (Digital Information System，DIS) ,滑動摩擦力演示儀,鐵架臺,帶輪子的木板,滑塊(100 g),鉤碼(50 g)6個,傳感器,滑石粉,毛巾,電腦.

3 滑動摩擦力的探究實驗

一個物體在另一個物體表面上相對滑動時，要受到另一個物體阻礙它相對滑動的力，稱為滑動摩擦力.通過改變正壓力、接觸面面積、接觸面性質以及相對運動速度探究影響滑動摩擦力的因素.

3.1 實驗原理

實驗安裝如圖1，將力傳感器固定在鐵架臺上，用繩子將木滑塊與力傳感器相連.滑塊放在滑動摩擦力演示器的皮帶上，通過皮帶的轉動使木滑塊與皮帶發生相對運動.滑塊在水平方向上受到2個力的作用，力傳感器的拉力和木板的摩擦力.由于皮帶勻速運動，滑塊始終處于平衡狀態.根據二力平衡原理，力傳感器示數等于滑塊所受滑動摩擦力的大小.

圖1 探究滑動摩擦力實驗裝置

3.2 實驗步驟

(1)按圖1安裝好實驗裝置.

(2)將滑塊放在皮帶上，打開摩擦力演示器，使皮帶以一定的速度轉動.通過傳感器用DIS系統繪制木塊所受摩擦力變化的圖像，在7.0 s時放上2個鉤碼，13.0 s時再增加2個鉤碼以改變滑塊滑動時的正壓力大小.繪制摩擦力大小隨時間變化的圖像,如圖2(a).

(3)上述裝置不變的情況下，滑塊滑動過程中，在6.0 s時給轉動的皮帶上面均勻地撒上滑石粉，以改變接觸面的粗糙程度，繪制摩擦力大小隨時間變化的圖像.繪制的圖像如圖2(b).

(4)再次消除數據，并重新繪制圖像，此過程中分別在8.0 s和12.0 s時改變速度檔位加快皮帶的轉速.繪制的圖像如圖2(c).

圖2 不同因素下滑動摩擦力的大小

3.3 實驗分析

(1)由圖2(a)可知，當接觸面的粗糙程度和皮帶轉速一定的情況下，木塊對皮帶的正壓力不變,滑動摩擦力就不變;受到正壓力變大，滑動摩擦力變大.實驗中正壓力與摩擦力具體數據如表1，由表中數據可得到圖2(d).圖2(d)表明物體所受滑動摩擦力的大小與正壓力大小成正比(實驗誤差范圍內).由實驗結果可以計算木滑塊與橡膠皮帶間的摩擦因數為0.7.

(2)由圖2(b)可得，當物體對皮帶的正壓力和皮帶轉速一定的情況下，接觸面越光滑，木塊所受到的滑動摩擦力越小.滑動摩擦力的大小與接觸面的性質μ(摩擦因數)有關.

表1 正壓力與滑動摩擦力的關系(g=9.8 m/s2)

(3)由圖2(c)可得，當物體對皮帶的正壓力和接觸面的粗糙程度一定時，皮帶的轉速變化對滑塊所受滑動摩擦力大小基本沒有影響.

4 靜摩擦力的探究實驗

物體間有相對滑動趨勢時產生的摩擦力叫做靜摩擦力.現通過實驗探究決定靜摩擦力大小的因素和影響最大靜摩擦力的因素.

4.1 實驗原理

實驗裝置如圖3，將力傳感器固定在鐵架臺上，用繩子將木滑塊與力傳感器相連.滑塊放在帶輪子的木板上，用手對木板施加水平拉力.在增大拉力過程中保持滑塊與木板相對靜止，滑塊在水平方向上受到2個力的作用,力傳感器的拉力和木板的摩擦力，滑塊相對木板靜止為靜摩擦力.根據二力平衡原理, 力傳感器示數等于滑塊所受靜摩擦力的大小.靜摩擦力的最大值對應最大靜摩擦力.

圖3 探究靜摩擦力實驗裝置

4.2 實驗步驟

(1)如圖3安裝好裝置.

(2)用細線拉住上面放有4個鉤碼的滑塊，緩慢用力拉動小車至其開始運動，觀察通過傳感器顯示在電腦上的摩擦力大小變化圖像，如圖4(a).

(3)上述過程不變,在滑塊上放6個鉤碼，觀察通過傳感器顯示在電腦上的摩擦力大小變化圖像，如圖4(b).

(4)在步驟2中，將滑塊放在鋪有毛巾的帶輪木板上，緩慢用力拉木板至其開始運動，觀察通過傳感器顯示在電腦上的摩擦力大小變化圖像，如圖4(c).

(5)通過傳感器拉動滑塊過程中，改變滑塊與木板接觸面積的大小，測得最大靜摩擦力大小相等，可以知道最大摩擦力的大小與物體接觸面積的大小無關.圖4(a)、圖4(d)分別保持正壓力、接觸面性質不變，使滑塊寬面、窄面不同方式放置時得到的摩擦力變化圖像.

(a) 滑塊上放兩個鉤碼寬面向下

(b)滑塊上放四個鉤碼

(c) 板上平鋪毛巾

(d)滑塊窄面向下

4.3 實驗分析及結論

(1)在上述實驗過程中，緩慢、均勻增大拉力，拉動小車至其開始運動，在滑塊與木板未發生相對滑動前，滑塊受到木板的靜摩擦力.根據二力平衡原理滑塊受到木板的靜摩擦力與傳感器對滑塊的拉力大小相等，方向相反.通過DIS系統在電腦上將靜摩擦力的大小變化顯示出來.從圖4各個圖中可以觀察到，靜摩擦力大小隨拉力的增大而增大，說明靜摩擦力是“被動力”.

(2)當拉力增大，靜摩擦力也隨著增大的過程中，靜摩擦力的增大是有一定限度的，它的最大值就是最大靜摩擦力.圖4(a)、圖4(b)中滑塊的最大靜摩擦力分別為1.50 N，1.87 N.說明正壓力越大最大靜摩擦力越大.圖4(c)中滑塊的最大靜摩擦力為3.2 N,與圖4(a)相比，說明接觸面越粗糙最大靜摩擦力越大.圖4(d)是滑塊窄面向下的最大靜摩擦力為1.52 N，與圖4(a)基本相等,可知接觸面的大小對其沒有影響.

5 最大靜摩擦力與滑動摩擦力的關系

從實驗中所得圖像可以觀察到當滑塊與木板發生相對運動時，即摩擦力由靜摩擦力轉變為滑動摩擦力的瞬間摩擦力大小明顯變小.由此可以得到最大靜摩擦力明顯大于同條件下的滑動摩擦力(在習題處理中經常近似認為最大靜摩擦力等于滑動摩擦力).

6 實驗評價

利用DIS系統與滑動摩擦力演示儀等相關器材合理組裝進行實驗，使學生清楚地觀察和親身感受到影響摩擦力的各種因素，加深對公式f滑=μFN的理解，使以往難以直觀顯現的拉動物體克服最大摩擦力時拉力值的動態變化過程得到體現.這有利于學生深刻理解“滑動摩擦力與最大摩擦力之間的關系”，可以增強學生的探究意識, 鞏固和加深對摩擦力特點的認識.

實驗過程用電腦繪制并處理的圖中摩擦力大小上下微小波動，主要是因為皮帶轉動過程或木板移動過程中滑塊在皮帶或木板上不穩定和接觸面性質不是絕對均勻造成的誤差.

參考文獻

1 束炳如,何潤偉.普通高中課程標準實驗教科書物理Ⅰ(必修)(第3版).上海:上海科技教育出版社,2009.72～750