電子式滑動摩擦力探究儀

崔偉

摩擦力是中學物理的重要概念，探究影響滑動摩擦力大小因素以及測量動摩擦因數的實驗是中學物理中兩個比較典型的探究性實驗和測量性實驗。

傳統的測量滑動摩擦力的實驗裝置如圖1甲所示。要使彈簧測力計顯示的示數恰好等于滑動摩擦力的大小，必須使彈簧測力計與物塊一起在水平長板上做勻速直線運動，但實際操作是非常困難的，而且彈簧測力計在運動的過程中要準確地讀出其示數也是十分困難的。于是不少教師將其改成了如圖1乙所示的實驗裝置，讓彈簧測力計的一端固定，另一端鉤住長方形木塊，木塊下面是一長木板，實驗時拉動長木板，使其向右運動，此時彈簧測力計與長方形木塊保持相對靜止，由于木塊的靜止狀態比勻速直線運動狀態的操作要容易得多（平衡狀態的兩種可能的比較），因為拉動的是水平長板，無需考慮水平長板是否勻速，由于彈簧測力計是靜止的，可以方便地從彈簧測力計上讀出滑動摩擦力的大小。

很顯然，裝置乙比甲的設計要科學得多。它作為初中定性探究影響滑動摩擦力大小因素的實驗是可行的，但作為定量探究或要測量動摩擦因數還是有困難的。一是彈簧測力計的量程小，分度值大，測量精度不夠；二是長木板使該裝置顯得龐大，而且長木板的運動還受實驗桌的限制。因此，筆者用精度高的電子秤替代精度低的彈簧測力計，用傳送帶替代長木板，用尼龍搭扣作為木塊底面調換材料的中介物來改變接觸面的粗糙程度，設計并制作了《電子式滑動摩擦力探究儀》，實物如圖2所示。

一、構造特點

本儀器主要包括電子秤、壓塊、定滑輪（細線）、木塊（鉤碼盒）和傳送裝置（手柄）五大部分，如圖3所示。

1.電子秤

從原理上講，電子秤并不是測量質量的儀器，而是測壓力（其大小等于物體的重力）的裝置，其內部裝有力傳感器，可實現力與電信號的相互轉換，自動計算出對應的質量數值，然后通過顯示屏直接顯示出來。圖4是家用電子廚房秤的實物圖，它由秤盤、顯示屏和開關、單位、歸零這三個按鈕組成?！伴_關”具有接通電路，使顯示屏工作的功能；“單位”具有轉換功能，可以將“克”與“盎司”這二種單位相互轉換；“歸零”有去皮功能，能快速測出物體的凈質量。該電子秤的稱量為5kg，感量為1g，轉化為測力計，稱量為50N，感量為0.01N，能滿足測力需要。

2.壓塊與定滑輪

該電子秤只能測壓力，不能測拉力，但可通過轉化測量獲得。其思路是用壓塊作為轉化物，讓其壓在電子秤上，在傳送帶靜止時，讀出電子秤的示數m0，當傳送帶運動時，木塊受到的滑動摩擦力通過細線上的拉力傳遞，并由定滑輪改變方向，向上拉壓塊，使電子秤的示數減小為m，其變小量為Δm=m0-m，此時摩擦力的大小可由f=Δmg計算得到。

3.木塊與尼龍搭扣

利用實驗室長、寬、高分別為a、b、c的長方體木塊作為研究對象，利用其平面、側面、立面以及一個平面和側面能放置50g鉤碼的圓孔，可以獲得5個不同的表面積，以此來探究摩擦力是否與其接觸面積有關。木塊的底面用尼龍搭扣作為調換材料的中介物，可將質量相同的木質、紙質、細布、粗布、塑料這五種材料與木塊連接來改變接觸面的粗糙程度。將鉤碼盒里的個數不同的50g鉤碼置于木塊上表面的圓孔中，可以方便地改變壓力的大小。

4.傳送裝置

傳送裝置由水管制作的傳動軸、布制作的傳送帶和由水管及其接口制作的手柄組成。粗糙的帆布繃緊在二個傳動輪上，就成了傳送帶；手柄直接裝在主動輪上，搖動手柄使主動輪轉動。通過從動輪帶動傳送帶在水平方向運動，與靜止的木塊發生相對滑動，改變手柄的搖動速度，可以改變木塊相對滑動的速度。

二、使用方法

稱量前，按開關鍵、歸零鍵，使單位鍵置于克（g），將壓塊置于秤盤的中間，讀出電子秤的示數，即為壓塊的質量m0。

將木塊置于傳送帶上，細線通過定滑輪分別與壓塊和木塊連接。搖動手柄，使傳送帶與木塊之間發生相對滑動，讀出此時電子秤的示數m。

計算電子秤的示數差Δm=m0-m，可以得出滑動摩擦力f=Δmg。（g取10m/s2）

三、定量探究

1.探究滑動摩擦力與壓力大小的關系

（1）用電子秤分別測出木塊、壓塊的質量M、m0，并記錄在表1中。

表1

（2）搖動手柄，使木塊與傳送帶之間發生相對滑動，將此時電子秤的示數m記錄在表1中。

（3）在木塊上表面分別加1個、2個、3個、4個50g的砝碼，在表1中分別記下該時電子秤的示數。

（4）完成表1中其他空格的計算。

（5）將表1中的壓力與摩擦力的相關數據畫成函數圖像，如圖5所示。

（6）由圖5中的函數圖像可得出結論：滑動摩擦力的大小與壓力的大小成正比。

根據實驗數據或函數圖像的斜率還可以求出動摩擦因數。μ1=f1/F=0.213N/0.38N=0.416；同理可得μ2=0.416、μ3=0.415，μ4=0.416，μ5=0.417，最后計算其平均值：μ=（μ1+μ2+μ3+μ4+μ5）/5=0.416，即為所測的動摩擦因數。

2.探究滑動摩擦力與接觸面積的關系

（1）用刻度尺測出長方體木塊的長、寬、高分別為8.9cm、7.2cm、3.4cm，計算出該木塊平面、側面和立面的面積分別為64.08cm2、30.26cm2、24.48cm2，在長方體木塊的一個平面有4個直徑為2.5cm的圓孔，該平面的實際面積為40.40×10-4cm2，一個側面有2個直徑也為2.5cm的圓孔，該側面實際面積為20.25×10-4cm2，填入表2相應的表格中。

（2）在木塊上放2個50g的砝碼，對傳送帶的壓力為1.38N。

（3）分別將木塊平放、側放和立放，搖動手柄，使木塊與傳送帶之間發生相對滑動，在表2中分別記下電子秤在該時的示數。

（4）按上述方法完成表2中其他空格的計算。

（5）分析表中的數據，可得出結論：滑動摩擦力的大小與接觸面積無關。

表2

3.探究滑動摩擦力與接觸面粗糙程度的關系

（1）在探究2實驗1的基礎上，用尼龍搭扣將木質墊子連接在木塊的底面上，測量此時木塊的總質量，然后放在傳送帶上，搖動手柄，記下電子秤此時的示數。

（2）用同樣的方法，將紙質的、細布的、粗布的、塑料的墊子連上，搖動手柄，使木塊與傳送帶之間發生相對滑動，分別測出該時的電子秤的示數，并將其記錄在表3中。

（3）按前述的方法完成表3中其他空格的計算。

（4）分析表中的數據，可得出結論：滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度有關，接觸面越粗糙，滑動摩擦力越大。

表3

4.探究滑動摩擦力與相對滑動速度的關系

（1）在探究2實驗1的基礎上，改變手柄的搖動速度，進而改變木塊與傳送帶之間相對滑動的速度，用電子表分別測出手柄搖10圈的時間t，并分別讀出該時電子秤的示數，并將其記錄在表4中。

（2）按前述的方法完成表4中其他空格的計算。

（3）分析表中的數據，可得出結論：滑動摩擦力的大小與物體相對滑動的速度有關，其本質是相對滑動的速度改變了動摩擦因數，導致滑動摩擦力的大小發生變化。該動摩擦因數的大小隨相對滑動速度的增大而減小，最后趨于一個定值，其函數圖像如圖6所示。

表4

四、總結提升

1.探究結論

綜上所述，滑動摩擦力f的大小與壓力F的大小成正比，可以用公式f=μF來描述。其中的μ叫動摩擦因數，它是描述物體相對滑動時，接觸表面阻礙物體滑動能力的一個物理量。它與接觸表面的粗糙程度和滑動的相對速度有關，接觸面越粗糙，其阻礙物體相對滑動的能力就越強，物體受到的滑動摩擦力就越大。它還隨相對滑動速度的增大而減小，最后趨于一個定值。當相對速度為0時，μ就是最大靜摩擦系數。

2.創新分析

（1）思路新

本探究儀的設計思路比較新，采用壓塊作為中介物，將拉力轉化為壓力，可以用電子秤來測滑動摩擦力。根據網上搜索，目前尚未發現用電子秤測量摩擦力的。

（2）精度高

本探究儀測量的精度高，可達0.01N，如果用稱量為1kg的電子秤，其精度高達0.001N，是彈簧測力0.1N的100倍，這為定量探究滑動摩擦力的影響因素，實現由高中學生通過自己的親身實驗來得出摩擦定律成為可能。

（3）體積小

本探究儀用傳送帶代替長木板，既可以縮小體積，實現往復運動，還能改變相對滑動的速度。

（4）操作易

本探究儀用尼龍搭扣作為木塊的底面調換材料的中介物，連接粗糙程度不同的材料，如木質的、紙質的、細布的、粗布的、塑料的，來改變接觸面的粗糙程度，既方便可靠，又節約材料。在木塊的上表面和側面開有圓孔，既能改變接觸面積，又能放置鉤碼，很容易改變壓力的大小。使木塊和電子秤處于相對靜止的狀態，既操作簡單、又使電子秤的示數穩定，極大地提高了實驗效率和測量精度。

（5）成本低

本探究儀除了電子秤在網上郵購（17元）、木塊與鉤碼利用學校實驗室的器材外，其余都是利用廢舊的三夾板、食品盒、塑料水管及其接口、尼龍搭扣、布、塑料等制作而成。容易加工，便于學生模仿制作，為鼓勵和引導學生建立家庭實驗室起示范和榜樣的作用。

當然，在實際使用的過程中，還存在一些問題，由于手柄是用塑料水管及其接頭制作的，操作時不夠靈活；傳送帶是用布縫制的，傳動軸是由水管制作的，手柄在快速搖動時，有打滑現象，這些問題有待于進一步去研究和克服。

（責任編輯 郭振玲）