摩擦力探究實驗的創新設計

陸豐

摘 要：在定量探究“影響摩擦力大小因素”的實驗中，存在“彈簧測力計的精度低、長木板的裝置笨、接觸面材料的改變不方便”等不足.用電子秤替代彈簧測力計，提高了測量精度;用傳送帶替代長木板，減小了儀器體積;用電動機代替手搖柄，使實驗裝置的性能更加穩定.雙面膠容易更換接觸面的材料，壓塊和定滑輪使電子秤的功能由測質量擴展到測摩擦力和動摩擦因數乃至能夠判斷電動小車前后輪所受摩擦力的方向.

關鍵詞：摩擦力;探究實驗;創新設計

文章編號：1008-4134（2019）14-0020中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

生活中的摩擦力隨處可見，學生對此興趣很濃，以學生熟悉的電動自行車為例（如圖1）：輪胎上刻有花紋、車輪做成圓形、塑料套緊套在把手上、轉動部分添加潤滑油、腳踏板凹凸不平、剎車時用力捏閘、車軸處裝有滾珠、車的把手上有凹槽……，都是工程師們對摩擦力的巧妙應用.

為了進一步激發學生參與學習與研究的興趣，就要進一步引導學生去挖掘摩擦力存在的意義與價值，我們雖然無法隨心所欲地控制摩擦，但我們能尋找它的規律并巧妙地使它發揮最大的作用[1].筆者就利用課余時間，和學生們一起探索摩擦力，并引導學生開啟摩擦力探究的創新實驗，怎樣探究摩擦力的規律呢？如何測量其大小？怎樣判斷其方向？其實驗裝置又如何設計？等等……

1 摩擦力大小的測量設計

1.1 傳統的裝置設計

（1）測量原理：傳統的測量原理如圖2所示，用彈簧測力計勻速拉動物塊，與水平接觸面發生相對滑動，彈簧測力計的示數就等于物塊所受摩擦力的大小.其中的圖A為初中物理教材上的插圖，圖B為改進后的實驗裝置.改進后的彈簧測力計與物塊被固定在裝置上.拉動長板，雖然物塊和長板之間發生了相對滑動，但是彈簧測力計與物塊保持靜止，既避免了勻速拉木塊的難度，又擺脫了彈簧測力計運動時的讀數困難.

（2）裝置實物：物塊采用長方體木塊，其平面、側面、立面設置了能放置鉤碼的圓孔，可方便地改變受力面積，如圖3所示.將不同個數的50g鉤碼置于木塊上表面的圓孔中，能方便地改變壓力的大小，實物如圖4所示.改進后裝置如圖5所示.

（3）存在問題：圖5裝置雖解決了圖4的不足，但還存在下列問題：①由于長板較長，該裝置的整體顯得比較龐大，隨身攜帶不便;②該裝置作為定性研究是可行的，但作為定量探究影響摩擦力大小的因素是有困難的.尤其是彈簧測力計的分度值較大，導致測得的精度較低.而且改變接觸面的材料也不方便.凡此種種，必須對圖5所示裝置進行創新設計.

1.2 裝置的創新設計

我們經歷了下列三個層次的進階過程：

（1）傳送帶代替長木板，減小裝置長度：木塊通過細線與固定在裝置上的彈簧測力計相連，傳送裝置通過搖動用自來水管及其接口制成的搖柄使轉軸轉動，帶動傳送帶在水平方向移動.傳送帶與靜止的木塊發生相對滑動，其實物裝置如圖6所示.裝置的長度明顯減小，能夠隨身攜帶.

（2）電子秤代替測力計，提高測量精度：該彈簧測力計的分度值為0.1N，精度較低.電子秤的精度為10-2g，轉換為測力計后，其精度為10-4N，是彈簧測力計的1000倍，可以定量探究摩擦力的相關規律.其實物裝置如圖7所示.木塊與傳送帶之間的摩擦力通過定滑輪、壓塊，傳遞到電子秤，顯示屏可直接顯示出摩擦力的大小.壓塊的作用擴大了電子秤的測量功能，能測量拉力.定滑輪的作用是改變力的方向，使水平方向的摩擦力轉化為豎直方向的拉力.壓塊置于電子秤的秤盤上后清零，搖動手搖柄，顯示屏的示數就是摩擦力的大小，再通過換算系數×10-2，單位為N.

（3）電動機代替手搖柄，變手動為電動：手動的操作不方便，裝置的穩定性不夠.因此對傳送裝置進行再創新，成為第三代產品，其實物如圖8所示.為減小轉軸的摩擦，采用軸承傳動，電動機帶減速裝置，使傳送帶緩慢運動，增強了裝置的穩定性.電動機的主軸通過皮帶輪與傳送裝置的轉軸相連.相比而言，電動型結構更優，體積更小，操作更易，性能更好，更適合于對摩擦力的定量探究.實現了真正意義上的裝置創新[2].

2 摩擦力方向的判斷設計

2.1 滑動摩擦力的方向判斷

（1）設計原理：讓牙刷與手面作相對運動，其運動方向或相對運動趨勢的方向用箭頭的指向表示，如圖9所示.當牙刷有相對于手面向右（左）運動時，產生的摩擦就是滑動摩擦，牙刷毛發生形變的方向向左（右）.當牙刷相對于手有向右（左）運動的趨勢時，產生的摩擦就是靜摩擦，牙刷毛發生形變的方向也向左（右）.而牙刷毛發生形變的方向就是牙刷所受摩擦力的方向.由此可以得出：摩擦力的方向與物體相對運動的方向或相對運動的趨勢方向相反.

（2）應用實例：我們用一個家用的普通毛刷與一個小馬達連接起來，再用一個棉簽或扇葉來調節它的運動速度，就創新成了一個無輪電動小車，其實物如圖10所示.在控制棉簽彎曲程度的基礎上，閉合開關，電動小車就會作曲線運動，觀察毛刷的形變方向，就能判斷電動小車運動過程中所受摩擦力的方向是如何變化的.

2.2 車輪摩擦力的方向判斷

（1）設計原理：將電動玩具小車A代表自行車或汽車，其裝置模型如圖11所示.紅色輪子為主動輪，設置在后輪，并居中放在二個裝有小輪子的長板B和C上.閉合小車開關，使其向右（前）運動，發現長板C也在向右（前）運動，而長板B卻在向左（后）運動，說明長板B受到一個向左（后）的作用力，由于力的作用是相互的，主動輪受到一個向右（前）力的作用，這個力就是摩擦力，力的方向與該小車的運動方向相同，同理可知：小車A的前（從動）輪受到的摩擦力的方向向左（后）.即自行車的后輪受到摩擦力（靜摩擦）的方向向前，與自行車運動的方向一致，這個摩擦力（靜摩擦）才是使自行車前進的動力.前輪受到摩擦力（滾動摩擦）的方向向后，與自行車運動的方向相反，是阻力.

（2）應用實例：

圖12是設計原理的實際應用照片，圖甲為靜止的電動小車A，放在二個能前后運動的長板B和C上.閉合開關，電動小車A向右運動的同時，發現長板B向左運動，長板C向右運動，如圖乙所示.說明電動小車的左輪是主動輪，給長板B一個向左的作用力，長板B也反作用于左輪，左輪受到的摩擦力方向向右，使電動小車向右運動.該力方向與運動方向一致，是動力.同理可得：右輪受到的摩擦力方向向左，與運動方向相反，是阻力.

3 摩擦力影響因素的探究設計

3.1 設計實驗

（1）實驗準備：①分別按電子秤的開關鍵、歸零鍵，將單位鍵置于g;②將木塊置于秤盤的中間，讀出電子秤的示數，即為木塊的質量m0;③換算為傳送帶受到的壓力F=m0g，其大小為顯示屏示數的百分之一，單位為N;④將壓塊置于電子秤的秤盤上去皮歸零;⑤將木塊無孔之面平放于傳送帶上，細線通過定滑輪分別與壓塊和木塊連接.閉合開關，電動機轉動，使傳送帶與木塊之間發生相對運動，讀出此時電子秤的示數并單位換算.

（2）改變壓力：分別往木塊的小孔中增加1、2、3、4個50g的鉤碼，換算成壓力.

（3）改變接觸面積：分別將木塊無孔側放、無孔立放、有孔平放、有孔側放，測量并記下電子秤示數.

（4）改變接觸面粗糙程度：用雙面膠分別將鏡紙面、紙板面、塑料面、棉布面和水沙面粘貼在木塊下表面，測量并記下電子秤示數.

3.2 收集數據

將測得數據換算后填入表1.

3.3 分析論證

由表中的數據不難看出：滑動摩擦力的大小與壓力的大小有關，與物體接觸面的粗糙程度有關，與接觸面的大小無關.

3.4 畫成圖像

將表1中2、3二行的數據畫成函數圖像，如圖13所示.

3.5 得出結論

同一接觸面物體所受到的滑動摩擦力的大小與其所受壓力的大小成正比，即f=μF.

3.6 拓展延伸

該圖像的斜率就是動摩擦因素μ，它描述的是接觸面阻礙物體運動的能力，動摩擦因素μ越大，其表面阻礙物體運動的能力就越強.由表中數據，再根據μ=f/F分別計算得鏡紙面、木板面、紙板面、塑料面、棉布面、水沙面的動摩擦因數：μ鏡=0.04;μ木=0.25;μ紙=0.32;μ塑=0.38;μ棉=0.44;μ沙=0.59.說明在上述6種接觸面中，就阻礙物體運動的能力而言，沙紙面最強，其次分別是棉布面、塑料面、紙板面、木板面，鏡紙面的阻礙能力最弱.其本質是接觸面越粗糙，阻礙物體相對運動的能力越強，接觸面越光滑，其阻礙物體相對運動的能力就越弱[3].

3.7 創新要點

摩擦力探究實驗的創新設計與傳統的實驗相比，有下列創新點：

（1）思路新：本裝置以壓塊作中介物，將拉力轉化為壓力，將電子秤測質量功能擴展到測拉力、摩擦力;

（2）精度高：精度為0.0001N，是彈簧測力計的1000倍，能定量探究摩擦力的影響因素;

（3）體積小：用傳送帶代替長木板，能縮小體積，可隨身攜帶;

（4）測量快：利用電子秤的去皮功能，可以快速測量;

（5）操作易：利用木塊內的圓孔，放置鉤碼，改變壓力很方便.雙面膠作接觸面調換材料的中介物，改變粗糙程度也很容易;

（6）成本低：除電子秤、鉤碼外、其余都用廢舊的小馬達、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，成本低、容易加工;

（7）功能多：除了能測量質量和重力、摩擦力、彈力等外，還能計算出動摩擦因素和判斷汽車前后輪摩擦力的方向.

參考文獻：

[1]崔偉.電子式滑動摩擦力探究儀[J].教學與管理，2013（25）：75-77.

[2]吳淑花.影響滑動摩擦力因素的實驗探究[J].物理教學，2010，32（05）：24-28.

[3]周愛忠.自制摩擦力實驗儀[J].中國教育技術裝備，2007（01）：24-25.