摩擦力實驗研究及啟示

李天宇

摘要：在高中物理的學習中，摩擦力知識是主要的學習難點之一，由于摩擦力問題具有較高的復雜性，并且相關概念十分抽象，需要借助實驗來完成這部分知識的學習。因此，我們需要對學習過程中應用的摩擦力實驗進行研究，以期通過這些實驗帶來一些啟示。本文將對高中物理學習中的摩擦力實驗進行研究，探討這些實驗對我們的啟示。

關鍵詞：高中物理;摩擦力;實驗研究

1引言

在高中物理知識中，摩擦力知識的學習具有一定的難度，是學習中的重點內容。摩擦力是最常見的物理現象，在對這種現象進行研究的過程中，實驗發揮著十分重要的作用。通過摩擦力實驗，我們能夠揭示出摩擦力的本質，同時鍛煉了我們自己的動手能力，對我們學好這部分知識有很大的幫助，因此，我們需要對摩擦力實驗進行研究。

2摩擦力實驗中存在的問題

在對影響滑動摩擦力大小的因素進行研究的過程中，我們可以通過以下實驗完成研究：

使用上圖中的實驗裝置進行實驗，使用彈簧測力計將木塊勻速拉動，保證木塊能夠沿著長模板滑動，這樣能夠使用彈簧測力計檢測出木塊與長木板之間的滑動摩擦力。在完成這些操作后，繼續以下操作，第一，在木塊上放置砝碼，增加木塊對長模板的壓力，其他條件保持不變，再進行實驗。第二，在長木板表面鋪上毛巾或棉布等材料，改變木塊與長模板之間接觸面的粗糙度，其他條件保持不變，再進行實驗。

通過這個實驗，我們可以驗證影響滑動摩擦力大小的因素。但是，在這個實驗中，存在以下問題：首先，即使將木塊與長木板的接觸面使用砂紙打磨光滑，并且保證粗糙度均勻，想要保證實驗中木塊發生勻速直線運動的難度也很大。其次，在木塊的運動過程中，想要準確的讀取彈簧測力計度數的難度較大。再次，通過彈簧測力計拉動木塊，想要保證拉動過程中木塊始終保持水平的難度較大。

為了解決以上實驗中存在的問題，我們可以通過以下實驗對影響滑動摩擦力大小的因素進行研究：

使用上圖中的實驗裝置進行實驗，將長模板調整為水平狀態，向砝碼盤中不斷增加砝碼，每加一次砝碼都要用手推以下木塊，直到木塊能夠在長木板上勻速運動，這是砝碼盤內砝碼的質量就是木塊與長模板之間滑動摩擦力的大小。通過這個實驗對影響滑動摩擦力大小的因素進行研究，能夠保證木塊與長木板之間發生勻速運動，讀取摩擦力大小的難度也大幅度降低，并且能夠保持木塊在運動過程中處于水平狀態。但是，這種實驗方法的調節過程過于繁瑣，想要尋找到合適的砝碼組合使木塊發生勻速運動的也有一定的難度，需要耗費大量的時間。

3摩擦力實驗的優化

在高中物理教材中，摩擦力實驗室的設計依據是二力平衡原理，如果木塊保持勻速直線運動，其在水平方向上受到的拉力將與其摩擦力保持平衡，可以通過檢測拉力來確定摩擦力的大小。在這個過程中，二力平衡是一種動態平衡，通過運動平衡判斷力的平衡，但是通過手和眼判斷運動平衡會存在一定的誤差，進而造成實驗結果存在誤差。因此，我們可以對實驗進行以下優化：使用電機代替手，拉動木塊，使其發生勻速直線運動。在實驗過程中，使用小型電機來拉動木塊，由于電機的轉速相對穩定，在短時間內可以將木塊的運動看做為勻速運動，在勻速運動中，木塊處于二力平衡狀態，可以通過彈簧測力計的讀數確定摩擦力的大小。

使用上圖中的實驗裝置進行實驗，將小型電機固定的木塊內，將一根繩子系在電機軸上，繩子的另一端則系在彈簧測力計的掛鉤上，將彈簧測力計水平放置，固定好另一端，為小型電機通電后，木塊就會向右運動，這時我們可以讀取彈簧測力計的讀數。

在這個實驗中，能夠避免因使用手拉動木塊而造成的木塊無法勻速運動的問題，并且可以保證彈簧測力計處于靜止狀態，減少了我們在肉眼讀數過程中存在的誤差，是對教材中摩擦力實驗的進一步優化，能夠使實驗結果更加準確，我們可以通過準確的結果摩擦力的產生以及性質產生更加深刻的認識。

4數字化實驗系統的應用

在通過實驗對摩擦力問題進行研究的過程中，我們可以應用數字化實驗系統，為研究過程提供更好的支持。數字化實驗系統主要由力學傳感器、數據采集器、計算機以及系統軟件組成，在使用這種實驗系統后，能夠簡化實驗操作的過程，使實驗更加容易實現，并且可以在實驗過程中收集大量的實驗數據，并利用這些數據做出相應的圖線，對實驗過程中摩擦力的變化情況進行全程跟蹤。還能夠實現圖線擬合，給出需要的變化規律數學表達式。

使用上圖中的實驗裝置進行實驗，用手拉模板，并逐漸增加拉力大小，在這個過程中，數字化實驗系統可以對整個過程進行同步處理，輸出以下實驗結果：

上圖輸出的實驗結果是摩擦力隨時間變化的圖線，能夠反映出整個實驗過程中摩擦力的變化情況。其中對摩擦力的描述可以分為三個階段：第一，摩擦力增大階段。在這個階段中，摩擦力從零開始不斷增加，直至最大值。第二，摩擦力減小階段。在這個階段中，摩擦力由最大值迅速減小。第三，摩擦力保持階段。在這個階段中，摩擦力基本保持不變，圖線有紋波出現。在這個過程中，我們可以看出，最大靜摩擦力大于滑動摩擦力，在由最大靜摩擦力向滑動摩擦力轉變的過程中，摩擦力的變化是快速的、連續的，并且滑動摩擦力在滑動的過程中并不是恒定不變的，而是會出現小幅度的變化，但是這種幅度的變化無法通過彈簧測力計或肉眼識別到。

通過這些實驗結果，我們能夠對摩擦力的產生與變化過程產生更加清晰的認識，建立完整的圖景，由于滑動摩擦力的紋波與物體表面的凹凸形狀相似，因此，我們能夠將摩擦力的產生原因與摩擦力的性質就能夠輕易的聯系起來，形成更加清晰的摩擦力知識結構。此外，通過數字化實驗系統描繪出的摩擦力變化過程能夠與摩擦的凹凸嚙合學說取得一致。

凹凸嚙合學說是一種解釋摩擦力本質的學說，在這個學說中，將摩擦力的本質解釋為：摩擦力的產生是由于互相接觸的物體表面粗糙不平，在發生接觸擠壓時，接觸面上的凹凸部分發生互相嚙合，產生阻礙運動的力。在這個過程中，擠壓的壓力越大，嚙合就會越緊，摩擦力也就越大。為了使物體能夠運動，必須有外力客服這些嚙合產生的力，需要的最小外力就等于最大靜摩擦力。在物體運動后，其重心會高于靜止狀態，接觸面的嚙合程度就會減小，產生的摩擦力也就會隨之減小，因此，滑動摩擦力略小于最大靜摩擦力。與此同時，雖然接觸面的粗糙度基本相同，但仍然存在不一致的現象，因此，滑動摩擦力會出現波動的現象，并不是一直處于不變的狀態。

5結束語

總而言之，在高中物理的學習過程中，摩擦力問題的難度較高，需要通過實驗的方式對其進行深入的研究，確保我們能夠更加清晰的理解摩擦力的原理與性質。因此，為了提高學習效率，我們必須采用最適合的實驗方式，確保其在學習過程中發揮重要作用，降低摩擦力知識的學習難度，能夠有效的提高學習效率，促進學習成績的提升。

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（作者單位：河南省商丘市第一高級中學）