利用DISLab系統測量滑動摩擦力

麥東強

摘? 要：測量水平運動物體所受的滑動摩擦力是初中學生必做實驗項目。利用"數字信息系統實驗室"（DISlab朗威實驗系統）對物體在水平面上滑動時所受的摩擦力進行測量，并利用傳感器將滑動摩擦力的大小以數字和圖像的形式呈現，能使學生更直觀的看到滑動摩擦力的大小和變化。通過該實驗精確測量，使學生更好的理解和掌握測量滑動摩擦力的兩種方法。

關鍵詞：滑動摩擦力;初中;DISLab;傳感器

1.背景

滑動摩擦力是一種比較常見的力。拉動一個木塊在水平的金屬板上滑動時，木塊由于地球的吸引受到豎直向下的重力的作用，放在金屬板上時，使得與它接觸的金屬板發生形變，金屬板對木塊產生豎直向上的支持力。兩物體接觸面是粗糙的，木塊滑動時，相對金屬板運動了，木塊受到了金屬板施加的滑動摩擦力。

測量水平運動物體所受的滑動摩擦力是初中學生必做的二十個實驗項目之一。人教版（2012）提供的測量方法是利用彈簧測力計水平勻速拉動木塊。通過彈簧測力計的讀數測量木塊受到的滑動摩擦力。這種方法學生在實驗過程中會出現的問題是比較難控制勻速拉動木塊，容易出現忽快忽慢的拉動情況，導致示數發生變化，影響實驗結果。且在一邊勻速拉的過程中，一邊讀數比較麻煩，誤差也較大。因此，該實驗經常出現的問題是學生測量結果不準確甚至不能得到正確的結論。

下面我們通過受力分析解析該實驗原理并嘗試用DISlab朗威實驗系統改進該實驗。

2.測量滑動摩擦力的方法1

我們來分析一下教材提供的方法測量木塊受到的滑動摩擦力時的受力情況。如左圖所示。通過之前的分析，我們知道豎直方向，它受到重力和支持力，這兩個力大小相等，方向相反。水平方向上，它受到拉力和滑動摩擦力，如果要拉力和滑動摩擦力大小相等，方向相反。那么木塊在水平方向上要靜止或做勻速直線運動。所以，木塊在水平方向上勻速直線運動時，我們用測力計測量拉力的大小就可以知道滑動摩擦力的大小了。

這種方法的測量依據是：木塊做水平勻速直線運動時，水平方向受到的拉力和滑動摩擦力大小相等。

用手拉動時，怎么判斷木塊是否在做勻速直線運動呢？根據勻速直線運動的定義，物體沿著直線且速度不變的運動，叫做勻速直線運動。如果我們通過監測發現木塊運動的路程隨時間變化的圖線是一條傾斜的直線，那就說明路程和時間的比值不變，這個比值就是速度，所以木塊的速度不變，也就是它在做勻速直線運動。

利用DISlab朗威實驗系統的一對傳感器可以幫助我們監測物體運動的狀態。我們將其中的一個固定在桌面，另一個放置在木塊上隨木塊一起運動。它們工作時可以通過計算機顯示一個反映出路程與時間的關系圖像。如果圖線是與橫坐標平行的，代表物體處于靜止狀態，如果圖線是一條傾斜的直線，代表物體在做勻速直線運動。如果不是一條傾斜的直線，代表物體沒有在做勻速直線運動。

用電動機可以帶動木塊做勻速直線運動。如上圖是一種電動機牽引裝置。電動機轉動時帶動一根金屬螺紋桿轉動，螺紋桿上的滑塊會水平運動，再用繩子帶動木塊水平運動。

我們用電動機水平拉動木塊在金屬板上滑動，用拉力傳感器測量木塊受到的滑動摩擦力。

通過觀察拉力的讀數和木塊運動的路程隨時間變化的圖像。發現利用電動機確實可以帶動木塊做勻速直線運動。這時木塊水平方向受到的拉力和摩擦力大小相等。所以木塊受到的滑動摩擦力也是0.3N。利用和硬件搭配的DISlab朗威實驗系統，可以將拉力的讀數和物體運動的路程隨時間變化的圖像通過電腦屏幕同時呈現。

利用這種方法，我們拉動木塊做水平勻速直線運動時，才可以測量木塊受到的滑動摩擦力。

根據分析，當木塊靜止放置在金屬板上時，如果將木塊固定，然后用彈簧測力計水平拉動金屬板也可以測量滑動摩擦力。因為木塊是處于靜止狀態，水平方向受力平衡，因此不用勻速拉動木塊。下面我們分析一下這種方法。

3.測量滑動摩擦力的方法2

將金屬板放在水平地面上，將一木塊通過彈簧測力計固定。如上圖。根據之前的分析，木塊受到支持力，它和金屬板之間相互擠壓，而且接觸面都是粗糙的。向右拉動金屬板時，我們看到，雖然木塊相對桌面是靜止的，但是它在金屬板的位置發生了變化，所以木塊相對于金屬板是運動的，所以，它會受到金屬板對它施加的滑動摩擦力。

通過之前的分析，我們知道豎直方向，它受到重力和支持力，這兩個力大小相等，方向相反。水平方向上，它受到拉力和滑動摩擦力，如果要拉力和滑動摩擦力大小相等，方向相反。那么木塊在水平方向上要靜止或做勻速直線運動。所以，木塊靜止時，我們用測力計測量拉力的大小就可以知道滑動摩擦力的大小了。

所以這種方法，是利用木塊靜止時，水平方向受到的拉力和滑動摩擦力大小相等的原理來測量的。

4.測量滑動摩擦力的兩種方法總結

我們將第1種方法和第2種方法測得的結果進行對比，發現兩次測量的結果也是相同的。

總結對比發現，這兩種測量滑動摩擦力的方法都是使木塊處于平衡狀態，水平方向受到的拉力和滑動摩擦力大小相等，方向相反。所以用彈簧測力計測出拉力的大小就能得到滑動摩擦力的大小。

參考文獻：

[1]王一超，徐佳林，鄭思怡，張譯丹，呼格吉樂.《基于DISlab系統的摩擦力教學測量儀的設計與研究》[J].科技創新與應用，2019 ;

[2]符東生.《2017年廣州市初中畢業生學業考試年報·物理》[M]. 廣東教育出版社，2018;

[3]周冬，高長賢.《有關測量滑動摩擦力實驗原理的思考》[J].中學物理，2014;

（作者單位：廣州市南國學校，廣東? ?廣州? ?510000）