田潔

摘 要：利用力學(xué)傳感器準(zhǔn)確測(cè)定滑動(dòng)摩擦力，探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素和動(dòng)摩擦因數(shù)大小，巧妙測(cè)定靜摩擦力并驗(yàn)證了最大靜摩擦的范圍性。

關(guān)鍵詞：滑動(dòng)摩擦力 滑動(dòng)摩擦因數(shù) 最大靜摩擦力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C 文章編號(hào)：1672-1578（2016）06-0130-02

摩擦現(xiàn)象在生活中十分常見，無(wú)論是人行走還是剎車，以及冰球比賽等都與摩擦有關(guān)，在物理教學(xué)中摩擦力與重力、彈力作為常見的三個(gè)力，在高中物理教學(xué)中占有重要地位，在高考中也占有一定比重。

1 問(wèn)題的提出

摩擦力分為動(dòng)摩擦力和靜摩擦力。滑動(dòng)摩擦力大小與物體間的壓力和接觸面的粗糙程度有關(guān)，與接觸面的大小無(wú)關(guān)[1]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用彈簧秤充當(dāng)測(cè)力工具，水平拉動(dòng)桌面上的滑塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)，由二力平衡讀出彈簧秤示數(shù)表示滑塊所受摩擦力的大?。煌ㄟ^(guò)在桌面上鋪毛巾等物品改變滑塊的接觸材料，用彈簧秤勻速拉滑塊研究滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面粗糙程度和接觸面材料關(guān)系；通過(guò)增加滑塊質(zhì)量來(lái)增大滑塊與桌面間的壓力，勻速拉滑塊研究滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面的壓力之間的關(guān)系。

在具體實(shí)驗(yàn)操作中遇到以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）勻速拉動(dòng)不易于控制；（2）彈簧測(cè)力計(jì)動(dòng)態(tài)的示數(shù)不便于讀取。因此在實(shí)驗(yàn)中效果展示效果不好，誤差大。在學(xué)習(xí)完壓強(qiáng)知識(shí)，知道壓力的作用效果，即壓強(qiáng)與表面積有關(guān)，部分同學(xué)反思摩擦力與滑塊接觸面積是否有關(guān)。在講述靜摩擦力時(shí)，教師常舉出用力推講臺(tái)，講臺(tái)沒(méi)有被推動(dòng)來(lái)說(shuō)明靜摩擦的存在，增大推力，講臺(tái)仍然不動(dòng)來(lái)說(shuō)明講臺(tái)受到地面的靜摩擦力變大。而學(xué)生遇到的試題中，通常給出靜摩擦力的范圍是從零到最大靜摩擦力（0

2 實(shí)驗(yàn)方案的制定

2表示絨布面，3表示紗布面，寬1面、窄面1表示木質(zhì)面

實(shí)驗(yàn)裝置[2]如圖1在桌面上放置一塊木質(zhì)滑塊B，滑塊B上放置滑塊A，滑塊A的一側(cè)與力傳感器相連并通過(guò)鐵架臺(tái)固定，實(shí)驗(yàn)中拉動(dòng)滑塊B，在水平方向上滑塊A受到滑塊B對(duì)其的滑動(dòng)摩擦力和力傳感器對(duì)其的拉力，在拉動(dòng)過(guò)程中滑塊A始終靜止，因此，力傳感器記錄的是滑塊A與滑塊B之間的滑動(dòng)摩擦力大小。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 滑動(dòng)摩擦力

滑塊A的質(zhì)量為360.2g， 逐步增加鉤碼到滑塊A上，來(lái)逐步改變滑塊AB間的正壓力大小，拉動(dòng)滑塊B來(lái)測(cè)定滑動(dòng)摩擦力大小與滑塊AB間壓力大小關(guān)系。

通過(guò)分別比較表1、表2、表3，我們可得出，在接觸面材料相同時(shí)，相同滑塊間動(dòng)摩擦力大小隨著壓力的增大而增大，與壓力成正比。

由FN與Ff圖像進(jìn)行擬合，可知數(shù)據(jù)直線的斜率即為木塊的動(dòng)摩擦因數(shù)，同時(shí)比較表1和表2可得出，在接觸面材料相同時(shí)，用同一木塊寬面和窄面滑塊受到的滑動(dòng)動(dòng)摩擦力大小相同，且由表1和表2的數(shù)據(jù)擬合圖3 可得，同一木塊寬面和窄面的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.2699±0.004和0.2721±0.003，即相同滑塊間動(dòng)摩擦力大小與接觸面大小無(wú)關(guān)。比較表1和表3，或表2和表3得出，滑動(dòng)摩擦力大小與接觸面的粗糙程度有關(guān)，同理，由圖4可知砂紙間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.387±0.005。

反思：橫向移動(dòng)物體只需考慮摩擦力大小，移動(dòng)物體所需的拉力或推力小于物體重力，所以在水平面上大力士拉動(dòng)飛機(jī)的表演也是能夠理解的。

3.2 靜摩擦力

利用DIS力傳感器的實(shí)時(shí)性，在拉動(dòng)滑塊B的過(guò)程中，每間隔0.2秒記錄一次數(shù)據(jù)，從而記錄整個(gè)拉動(dòng)過(guò)程中滑塊AB之間的摩擦力大小隨時(shí)間的變化關(guān)系。將數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，如圖5縱坐標(biāo)表示的是拉力大小，橫坐標(biāo)表示時(shí)間。

圖5：力傳感器示數(shù)隨時(shí)間t的變化

分析可得，在未拉滑塊B時(shí)候，AB間摩擦力為零；在用力拉滑塊B而滑塊AB間沒(méi)有拉動(dòng)的過(guò)程中，滑塊A受到靜摩擦力，靜摩擦力大小隨拉力增大而增大，直至圖中a點(diǎn)最大；當(dāng)滑塊B開始拉動(dòng)后，滑塊AB間的摩擦力慢慢變小。直至滑塊B完全被拉動(dòng)后，滑塊AB之間的摩擦力為動(dòng)摩擦力，動(dòng)摩擦力大小不變。因此，在物體間存在靜摩擦力，靜摩擦力的大小是在一定的范圍內(nèi)，且存在最大的靜摩擦力，最大靜摩擦力的數(shù)值大于動(dòng)摩擦力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了最大摩擦力大的存在，解決了學(xué)生在題目中遇到的困惑。

綜上所述，利用DIS信息系統(tǒng)，準(zhǔn)確科學(xué)的收集數(shù)據(jù)，能很好地驗(yàn)證動(dòng)摩擦力大小與壓力大小和接觸面的材料和粗糙程度有關(guān)，與接觸面積大小無(wú)關(guān)。并結(jié)合Origin數(shù)據(jù)處理軟件擬合圖線，可計(jì)算出不同材料的滑動(dòng)摩擦因數(shù)的大小。且能直觀地展示最大靜摩擦存在并測(cè)定最大靜摩擦力的大小。上海市二期課改引進(jìn)了DIS系統(tǒng)及各種類型的傳感器，如何將它們充分利用起來(lái)為物理教學(xué)服務(wù)，是物理教學(xué)工作者需要思考的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 上海市中小學(xué)（幼兒園）課程改革委員會(huì).高級(jí)中學(xué)課本物理高中一年級(jí)第一學(xué)期（試用本）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2007.

[3] 彭夷.例談實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)估與遷移[J].物理教學(xué)，2014.