顧 華

(江蘇省蘇苑高級(jí)中學(xué) 221500)

滾動(dòng)摩擦力生活中處處可見，大到汽車飛機(jī)，小到一個(gè)小小軸承，處處都有滾動(dòng)摩擦力的身影.研究滾動(dòng)摩擦力對(duì)于生活的指導(dǎo)意義應(yīng)該遠(yuǎn)大于滑動(dòng)摩擦.但是在人教版必修一中關(guān)于滾動(dòng)摩擦力的認(rèn)識(shí)只有很少的一段文字：滾動(dòng)摩擦是一個(gè)物體在另一個(gè)物體表面上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦.當(dāng)壓力相同時(shí)，滾動(dòng)摩擦比滑動(dòng)摩擦小很多.

什么是滾動(dòng)摩擦力？滾動(dòng)摩擦力很小，小到什么程度？在壓力相同的條件下，滾動(dòng)摩擦力要比滑動(dòng)摩擦力小很多，到底是小多少？比較滾動(dòng)摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的時(shí)候，為什么要在壓力相同的情況下？這些疑問，今天在這里我們借助先進(jìn)的DIS技術(shù)把它們一一解決.

一、滾動(dòng)摩擦力的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

根據(jù)滾動(dòng)摩擦力的定義，一個(gè)物體在另外一個(gè)物體表面發(fā)生滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，我們確定以下實(shí)驗(yàn)方案.如圖1所示將兩有機(jī)玻璃棒放置在長(zhǎng)木板的下方，使得長(zhǎng)木板下表面受到滾動(dòng)摩擦.同時(shí)使用傳統(tǒng)的力的測(cè)量工具——彈簧測(cè)力計(jì)，實(shí)際操作下來，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中滾動(dòng)摩擦力太小，彈簧測(cè)力計(jì)無法捕捉，如圖2所示.

使用先進(jìn)的DIS數(shù)據(jù)采集器，發(fā)現(xiàn)能捕捉微小的滾動(dòng)摩擦力，如圖3所示，但是因?yàn)槲矬w的勻速直線運(yùn)動(dòng)是很難模擬的，所以實(shí)驗(yàn)的方案需進(jìn)一步改進(jìn)；

結(jié)合滑動(dòng)摩擦力實(shí)驗(yàn)測(cè)量的改進(jìn)方案，確定以下改進(jìn)方案.

1.實(shí)驗(yàn)原理

如圖4所示，滑塊固定，水平緩慢拖動(dòng)長(zhǎng)木板；根據(jù)滑塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，滑塊所受長(zhǎng)木板上表面所給的滑動(dòng)摩擦力即為靜力傳感器1所顯示力的大小(F1=f1)；根據(jù)牛頓第三定律，長(zhǎng)木板上表面所受滑塊摩擦力與其等大反向；根據(jù)長(zhǎng)木板穩(wěn)定緩慢移動(dòng)，水平方向受力分析可知，靜力傳感器2所采集到的是長(zhǎng)木板上下兩表面所受摩擦力之和(F2=f1+f2)，根據(jù)矢量合成法則和摩擦力產(chǎn)生條件可知，長(zhǎng)木板下表面所受滾動(dòng)摩擦力的大小即為靜力傳感器2的數(shù)值減去靜力傳感器1的數(shù)值(f2=F2-f1)，如圖5所示；

2.實(shí)驗(yàn)具體操作

(1)固定支架在桌面上，將靜力傳感器1固定在支架上，另一端連接裝有鉤碼的滑塊；

(2)將靜力傳感器2使用木板水平與連接長(zhǎng)木板，使水平拖動(dòng)長(zhǎng)木板時(shí)，傳感器2中的力始終處于水平方向；

(3)將兩滾軸平行放置在長(zhǎng)木板下方；

(4)打開DIS數(shù)字系統(tǒng)，數(shù)據(jù)調(diào)零后，點(diǎn)擊開始按鈕；

(5)水平拖動(dòng)長(zhǎng)木板，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(6)選擇合適的數(shù)據(jù)區(qū)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)直線擬合；兩直線縱軸截距之差即為當(dāng)前長(zhǎng)木板下方所受滾動(dòng)摩擦力大小.

3.數(shù)據(jù)記錄與處理

大量的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)長(zhǎng)木板緩慢抽動(dòng)時(shí)，兩傳感器數(shù)據(jù)存在一個(gè)固定的差值.選擇合適區(qū)域，進(jìn)行DIS數(shù)據(jù)擬合，擬合后發(fā)現(xiàn)，兩力的傳感器采集數(shù)據(jù)趨向兩條直線，如圖6所示.兩線段的縱軸截距根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可以捕捉到，兩截距之差即為當(dāng)前滾動(dòng)摩擦力大小.

f2=0.40016-0.22948=0.17068 N

二、滾動(dòng)摩擦力、滑動(dòng)摩擦力比較

如圖7所示，將兩平行滾軸取出；打開DIS數(shù)字系統(tǒng)，數(shù)據(jù)調(diào)零后，點(diǎn)擊開始按鈕；水平拖動(dòng)長(zhǎng)木板，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；選擇合適的數(shù)據(jù)區(qū)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)直線擬合；兩直線縱軸截距之差即為當(dāng)前長(zhǎng)木板下方所受滑動(dòng)摩擦力大小.數(shù)據(jù)記錄與處理：

數(shù)據(jù)定性比較，如圖8所示：

擬合數(shù)據(jù)分析，如圖9所示：

兩直線縱軸截距之差即為長(zhǎng)木板下方相同條件下所受滑動(dòng)摩檫力摩擦力;

f2=3.40512-0.25341=3.15171 N

相同壓力條件下，滑動(dòng)摩擦力約為滾動(dòng)摩擦力的18.5倍.

三、探究滾動(dòng)摩擦力影響因素

猜測(cè)可能影響因素：壓力大小、接觸面材料、滾輪半徑大小(實(shí)驗(yàn)條件限制暫不做探究)

實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法

1.滾動(dòng)摩擦——壓力影響

壓力條件F1/N擬合截距F2/N擬合截距滾動(dòng)摩擦力f2/N滑塊內(nèi)4個(gè)鉤碼0.229480.400160.17068滑塊內(nèi)6個(gè)鉤碼0.481710.719700.23799滑塊內(nèi)8個(gè)鉤碼0.996621.381660.38504

小結(jié)：在其它條件都不變的情況下，壓力越大，滾動(dòng)摩擦力越大.

2.滾動(dòng)摩擦——接觸面影響

在其它條件都不改變的方法，把有機(jī)玻璃棒更換為鐵棒，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示.

小結(jié)：在其它條件都不變的情況下，接觸面材料不同，滾動(dòng)摩擦力也不同.

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：借助先進(jìn)的DIS技術(shù)、大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們可以很直觀的總結(jié)出滾動(dòng)摩擦力一般都很??；在相同壓力條件下，滾動(dòng)摩擦力要比滑動(dòng)摩檫力小很多等結(jié)論.同時(shí)控制變量的比較探究實(shí)驗(yàn)，讓我們的壓力、接觸面的粗糙程度是影響滾動(dòng)摩擦力的因素猜想得以直接驗(yàn)證.

四、實(shí)驗(yàn)價(jià)值與誤差分析

1.實(shí)驗(yàn)價(jià)值

實(shí)驗(yàn)價(jià)值1：借助先進(jìn)的數(shù)字化教學(xué)手段，將抽象的滾動(dòng)摩擦力直觀呈現(xiàn)出來，并對(duì)其大小影響因素有初步的定量探究；

實(shí)驗(yàn)價(jià)值2：對(duì)于抽象的兩面上的摩擦力模型，有更深的認(rèn)識(shí)；指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分析摩擦力產(chǎn)生和方向判斷，學(xué)會(huì)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律；

實(shí)驗(yàn)價(jià)值3：在控制其他變量都不變的情況下，讓學(xué)生進(jìn)一步對(duì)教材中所述“在壓力相同時(shí)，滾動(dòng)摩擦比滑動(dòng)摩擦小的多.”有定量探究.

2.實(shí)驗(yàn)誤差分析

誤差來源1：由于木板自重影響，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的寬度受到一定的影響.

誤差來源2：兩次更換固定物塊支架，造成相同條件下，物塊所受滑動(dòng)摩擦力略有變化，但對(duì)每一次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不造成影響；

誤差來源3：力的傳感器與數(shù)據(jù)采集器為有線連接，對(duì)實(shí)驗(yàn)造成一定的局限性，如果能將力的傳感器制作為藍(lán)牙連接，數(shù)據(jù)采集器直接做成USB連接在電腦端，數(shù)據(jù)效果相信更好.

誤差來源4：材料探究中，鐵棒的表面銹斑是造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)跳躍變化的主要原因.