傳送帶靜止和運動時物體所受摩擦力的對比驗證

周 杰

(江蘇省江浦高級中學文昌校區 211800)

傳送帶模型是一個重要的力學模型，摩擦力的大小只與動摩擦因素和壓力大小有關，但很多學生受到現實生活中一些現象的誤導而覺得摩擦力大小也會受到相對速度大小的影響，故設計實驗以正視聽.

一、實驗原理與思路

1.實驗原理及實驗器材

為了便于操作，本實驗采取傾斜傳送帶，速度向上，讓物體在傳送帶上由靜止下滑.比較傳送帶靜止時和向上運動時，物體經過兩個光電門的時間，若誤差范圍內兩次用時相等，說明兩種情況下物體所受摩擦力大小不變，也即摩擦力大小與速度無關.實驗原理圖如圖1.

傳送的選擇：商用傳送帶價格過高，約3000元.所以選擇了一款玩具(burger mania，如圖2)作為實驗用傳送帶，速度可調(有三種速度可以選擇)且工作穩定.

時間的測量：采用光電門和數字計時器(型號J0201-CC)記錄物塊經過兩點所用時間.

物塊的選擇：比較了不同物體，發現一角硬幣作為下滑的物塊比較方便控制.通過電磁鐵控制物體的釋放，硬幣下滑時不會翻轉，幾乎不會旋轉.

遮光物的選擇：本實驗中選取牙簽作為遮光物，首先牙簽的粗度適中(比較過牙簽和針)，而且它是圓柱形(片狀物體會因為旋轉而導致遮光長度發生變化).

遮光物與物塊的連接：直接將牙簽粘在硬幣上很不牢固，故用一塊小塑料作為底座.制作時要盡量讓牙簽處于硬幣圓心，為了保證牙簽垂直硬幣，將硬幣置于調節好的水平儀上，調節牙簽(在不同角度都)平行于豎直懸線；如圖3所示.

為了讓物塊無初速釋放，設計了如圖4所示的控制電路.用電磁鐵控制硬幣的釋放，電磁鐵選擇較細小的螺線管；為了控制電磁鐵的磁性，接入了電位器，調節電磁鐵磁性.實驗中要盡量減少導線的抖動對物塊初速的影響.

2.實驗過程

為了控制變量，減小其他因素的干擾，每次都讓硬幣某個特別位置(做標記)靠近螺線管.

(1)調節好儀器，傳送帶靜止，測出10次的數據.然后測出10次傳送帶一直處于高速擋運動狀態的數據，再分別測傳送帶中速檔，慢速檔時的10組數據.

(2)傳動帶靜止測一次，緊接著(高速檔)測一次，依次測出30組數據.目的為了探究傳送帶不同的表面，對實驗數據的影響.

二、實驗數據處理

1.連續測量10組數據時

對數據進行分析，可以excel做出圖線圖象(圖中橫軸表示次數，縱軸表示時間)；再做出一靜一動的10組數據.對兩次的數據進行對比研究.

從數據中(如圖5所示)，可以看出，不同速度時運動時間基本是相等的，和靜止時也基本相等.則在誤差范圍內，靜止和運動時摩擦力大小相等.

2.傳送帶靜止時

測一次數據，緊接著運動測一次數據，依次測出30組數據，30組數據的點狀圖(如圖6，縱軸表示時間，單位毫秒).平均值對比，靜止時182.63ms，運動時182.64ms.

三、實驗結論

兩次實驗說明在誤差范圍內，傳送帶靜止和運動時，時間是相等的.也就可以得到結論——傳送帶和物體速度方向相反時，傳送帶速度大小對物體運動所受的摩擦力大小是沒有影響的.

對比兩次實驗數據，可以看出傳動帶表面粗糙程度并不完全相同，第一次實驗的誤差來源較大程度是接觸面不同.

四、誤差分析

對本實驗來說，螺線管磁性的殘留，釋放點位置，物塊是否側滑，傳送帶的粗糙程度是否一致，物塊的旋轉都可能造成誤差.實驗中發現磁性的強弱非常關鍵，稍強會出現斷開電源物塊不動，稍弱會出現未斷開電源物塊已經下落.若未斷開電源物塊即下落，螺線管的磁力會對數據造成明顯影響.在實驗和數據處理過程中學生經歷親身體驗、交流討論，總結出應對措施和改進方式并交流分享了經驗.

五、反思和評價

優點1.學生的生活經驗很容易給物理學習帶來的干擾，通過實驗驗證解決疑惑.2.實驗自己組裝，極大提高學生的學習興趣

不足：1.傳送帶長度不夠，說服力可能略顯不足.2.未能做出傳動帶速度更大一些時的狀況.3.由于物塊是硬幣，與螺線管接觸時，會有側移.