基于DISlab系統的摩擦力教學測量儀的設計與研究

王一超 徐佳林 鄭思怡 張譯丹 呼格吉樂

摘? 要：在我們的生活中，摩擦力處處存在而且起著十分重要的作用。在實際的教學過程中，摩擦力的分析一直是教學的難點，對于學生來說，摩擦力的大小和方向只能借助作用效果來分析，會顯的十分抽象，不夠直觀，基于此問題的思考，結合DISlab朗威實驗系統制作出了一款摩擦力的測量儀，可以較為直觀的展示摩擦力的方向和大小，有助于學生理解和學習摩擦力的相關知識。

關鍵詞：摩擦力;滑動摩擦;力的傳遞;最大靜摩擦力;運動情況;DIS實驗系統

中圖分類號：O4-33? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）16-0027-02

Abstract： In our life， friction exists everywhere and plays a very important role. In the actual teaching process， the analysis of friction has always been the difficulty of teaching. For students， the magnitude and direction of friction can only be analyzed with the help of the effect， which will be very abstract and not intuitive. Based on the thinking of this problem， combined with the DISlabLongway experimental system， a friction measuring instrument is made， which can directly show the direction and magnitude of friction and is helpful for students to understand and acquire the relevant knowledge of friction.

Keywords： friction; sliding friction; force transfer; maximum static friction; motion; DIS experimental system

常見的物體狀態(tài)有靜止和運動兩種，這兩種狀態(tài)都有可能存在摩擦力的作用，在此為了保證靜止和運動情況下可以直觀的顯示摩擦力的方向和大小，故在此設計此摩擦力測量儀。

1 實驗儀器及裝置

本文利用朗威? DISLab、計算機、公模配件、m2螺栓螺母、配重砝碼、結構件、底板、細線若干，實驗裝置如圖1。在底座上有一個可以左右移動的平臺上，平臺可以根據需要添加配重塊，平臺左右各添加了一塊擋板，可以和力的傳感器接觸（之間有小空隙，水平時不接觸），其中左邊的力傳感器代表摩擦力方向向右，右邊反之。

2 實驗測量及數據

2.1 基本摩擦力的測量

物體放置于水平地面上時，給予其一水平推力，當推力逐漸加大時，摩擦力也相應的逐漸增大，直至增強到最大靜摩擦力后裝置開始滑動，靜摩擦力轉化為滑動摩擦力。摩擦力變化圖像應當如下：

其中F代表推力，f代表的是摩擦力的大小。

如圖所示，我們在實驗裝置的中間可移動平臺上施加一個水平向左的推力，在推力的作用下，移動平臺會向左邊水平移動，左邊的擋板即會觸碰到左邊的力傳感器。此時二者的力大小一致方向相反，接觸后推力被傳遞到整個裝置的底板，力傳感器測到的數值大小等于推力的數值大小亦等于靜摩擦力的數值大小。

當推力逐漸增大，一直超過最大靜摩擦力后，物體所受的摩擦力開始演變成為滑動摩擦力，即有物體開始做加速的運動。此時檔片對力傳感器和力對擋片的力同樣大小相同，方向相反，在此可視為裝置的內力，在數值上仍等于物體與地面的摩擦力大小。由此我們可以依據此裝置，來測量物體在受到水平方向上力的作用時的摩擦力大小。

依據以上原理，正確連接后測量獲得圖像如圖4。

如圖所示：當水平推力逐漸加大時，左側力傳感器數值變大，開始逐漸上升，直到最大靜摩擦力后開始下降到滑動摩擦力的大小并保持不變，實驗圖像曲線與理論圖像曲線基本吻合。

2.2 拓展測量

在教學過程中，我們經常會遇到的另一種情況是摩擦力作為動力輸出，如圖5所示：我們將裝置放置于一塊水平木板上，在水平木板上施加一個方向向左的拉力。

此時從整體來看，裝置會隨著木板一起向著左運動，但是實驗裝置內的水平運動平臺會因為慣性的作用，向右移動導致右側擋片和力的傳感器接觸，使得傳感器有一個力的作用，依據牛頓第二定律我們可得：

按照上述實驗要求，進行實驗后獲得實驗圖像如圖6。

3 實驗結論

本文所介紹的實驗裝置，非常清楚的介紹一種摩擦力的測量裝置。同時分別介紹了兩種基本情況下的測量模式，本裝置可以非常直觀的表現出摩擦力的方向和大小，有助于中小學生在學習相關的摩擦力問題時候加深理解。

參考文獻：

[1]呼格吉樂.改進DIS實驗系統中的“彈簧振子的振動圖像”實驗[J].物理實驗，2010（05）.

[2]呼格吉樂，張曉英.試論設計性物理實驗教學模型的研制[J].嘉興學院學報，2007.

[3]沈建民，謝昱圣.初中科學課程創(chuàng)生案例初探[J].課程教學研究，2013（12）.

[4]施洪生，王慧，胡元中，等.彈性懸臂梁摩擦力測量機構的設計[J].機械科學與技術，2004，23（11）：1327-1330.

[5]范哲焱，陶曉峰，張銳波，等.機械式微動斜面測量摩擦力系數實驗理論探討[J].大學物理實驗，2018，31（1）：6-8.

[6]代珍兵，董小慶，潘學軍，等.數字式滑動摩擦力演示儀[J].物理教學探討：中學教學教研專輯，2011（10）：53-55.

[7]劉國瑞，張文堂.摩擦力規(guī)律探究儀的制作[J].中小學實驗與裝備，2015，25（2）：31-32.

[8]沈軍.淺談使用DISlab進行新教材摩擦力的實驗[J].物理教師，2007，28（1）：32.