自行組裝的摩擦力演示器

高中物理摩擦力的演示實驗要解決四個主要問題：一是在教室內課堂上要能夠使學生便于觀察，可見度明顯；二是要盡可能減小實驗的系統誤差；三是要考慮學生的知識領域和接受水平；四是實驗的可操作性。而彈簧測力計可見度差，稍遠距離的學生在讀數時有困難，且測力計桿摩擦力大；利用傳感器、數據采集器、計算機等設備來探究摩擦力的方法對普通高中學生來說，知識水平有限，效果不佳。為此，本人設計組裝了一套摩擦力演示裝置，效果不錯，介紹如下。

1 制作介紹

（1）帶軌道的合金平板①（100cm×7cm×1.5cm，軌道凸起，兩端滑輪高度可調節）；將物理實驗室中現有的一端帶有滑輪的合金平板另一端多余部分（固定打點計時器用）卸下，換上與左端同樣的滑輪，在圖1所示中，注意應豎在軌道上方（比左邊高）。

（2）平板小車②(80cm×10cm×4cm)：可將實驗室中塑料小車，如圖2所示，上端削平，中間鋸開，用螺絲緊固在厚1㎝的長木板上（車輪軸要前后對正、平行），長木板左端能系細繩，在適當的位置貼上毛刷，如圖1所示。塑料小車應選用軸動式的，輪軸部分剖面圖，如圖3所示。

（3）滑塊③（10cm×8cm×4cm）：取與（1）中相同的滑輪的一部分裝在滑塊一端，構成動滑輪，一面捆上毛刷（方便卸下）。

（4）羊眼圈④：呈“弓”字形，可用普通鐵絲彎制而成，用于控制拉繩水平。

（5）電子秤⑤。規格：最小分度值1g。

（6）重物⑥：適當重即可，系上不易拉伸的細繩。

小車在軌道平板上，類同火車在鐵軌上。不同的是實驗過程中由于小車幾乎不動，滾動摩擦影響微乎其微，完全可忽略。

2 操作方法及原理

裝置可演示或探究摩擦力（靜摩擦力或滑動摩擦力）的大小、方向；探究相互作用的一對摩擦力（靜摩擦力或

影響因素（與外力、速度、接觸面積無關）；定量測定動摩擦因素μ，并得出F=μFN。

（1）在圖1所示中，按位置將裝置裝好并保持水平，小桌桌面比軌道平板略短，右端細繩穿過羊眼圈。

（2）演示相互作用的一對摩擦力方向：將平板車有毛刷的一面朝上，滑塊有毛刷的一面朝下，當兩個毛刷面相互接觸時即可利用毛刷演示平板車受到的摩擦力方向向右，滑塊受到的摩擦力方向向左，得出：相互作用的一對摩擦力方向相反。完畢取下滑塊上的毛刷，將小車復位。

（3）開啟電子秤，向右推動小車，調節左端滑輪使繩保持水平，將左端重物吊起后再放下，以確保電子秤上方的細繩豎直，這樣繩的拉力才可由電子秤測出。同理，調整右端電子秤上方的細繩豎直，穿過動滑輪的細繩都要保持水平，最上方的一根水平繩可通過有羊眼圈的“弓”字形鐵絲調節至水平。

（4）按下電子秤“去皮”按鈕，可看到讀數變為“0”。如果豎直向上輕提重物，注意不要離開電子秤臺面，可觀察到電子秤顯示負數，例如“－0.980”，即表示拉力為0.980kg力。此處應向學生說明。

（5）探究相互作用的一對摩擦力大小關系：輕拉右端穿過羊眼圈的細繩，由于小車車輪的摩擦可忽略，根據平衡條件可知，左邊電子秤讀數即為小車所受摩擦力（靜摩擦力或滑動摩擦力）的大小。由動滑輪知識及平衡條件可知，滑塊所受摩擦力（靜摩擦力或滑動摩擦力）的大小為右邊電子秤讀數的兩倍。比較兩邊的讀數，可知相互作用的一對摩擦力（靜摩擦力或滑動摩擦力）關系為：大小相等。

（6）取下帶滑輪的滑塊，換上另一無滑輪的滑塊，用一穿過羊眼圈的細繩牽引，并用羊眼圈將細繩調整至水平。此時左邊的電子秤即可顯示出滑塊與平板車上表面之間摩擦力（靜摩擦力或滑動摩擦力）的大小，右邊電子秤留作它用。接下來即可做其它演示或探究摩擦力的實驗，如：最大靜摩擦力；滑動摩擦力大小的影響因素等。

（7）定量測定動摩擦因數μ，并得出

F=μFN。

用右邊電子秤測出滑塊質量為ｍ1㎏，用穿過羊眼圈的細繩拉動滑塊，此時左邊電子秤讀數顯示為ｍ2㎏，由于小車車輪的摩擦可忽略，則滑動摩擦力F=ｍ2ｇ，滑塊對小車的壓力FN=ｍ1ｇ。（ｇ為重力加速度）

在滑塊上增加砝碼，多測幾組數據，畫出 F-FN圖像，由圖像可知F與FN成正比。或者畫出ｍ2-ｍ1圖像，可得ｍ2與ｍ1成正比。由圖像求出斜率即可定義動摩擦因數μ，得出F=μFN。

3 注意事項及不足之處

（1）因電子秤精確到0.001㎏，且非常靈敏，所以小車上表面和滑塊下表面要達到一定的平整度，否則電子秤讀數會頻繁跳動，實驗中應該讀取最穩定時的讀數，這也是一個不足之處。

（2）實驗裝置中對于小車車輪的要求較高，如圖3所示，應調整好輪軸的松緊，使其摩擦影響最小。每次實驗中松開滑塊拉繩后均發現左邊電子秤還有讀數，這說明有摩擦影響，仔細觀察后發現，由于有最大靜摩擦力存在，小車可以自動待在車輪摩擦影響最小的位置。

(欄目編輯王柏廬)