用DIS探究影響滑動摩擦力的因素

王勁存,仲扣莊

(南京師范大學物理科學與技術學院,江蘇南京210046)

1 引 言

摩擦力是中學物理中的重要概念,相比之下,高中物理課程標準教科書上關于摩擦力的實驗卻很少,一般采用手拉彈簧測力計的方法.這種方法由于很難控制物體的勻速運動,所以僅能做定性的觀測,無法進行定量研究.很多教師只是演示滑動摩擦力與接觸面正壓力的關系,而對與接觸面積和相對運動速度的關系則不采用實驗驗證.如今許多中學都配備了DIS實驗系統,筆者嘗試通過DIS實驗系統的力傳感器和位移傳感器,得出摩擦力變化的圖像,來探究在正壓力、接觸面積、接觸面性質變化以及物體間相對運動速度變化時滑動摩擦力的變化情況.

2 實驗器材及原理

實驗需要的器材有DIS實驗系統、帶小車的木板、滑塊、砝碼、鐵架臺等.

實驗原理如圖1,將力傳感器固定在鐵架臺上,用繩子將木制滑塊與力傳感器相連.連接力傳感器與滑塊的繩子最好用金屬絲,這樣所得圖像產生的波動較小.滑塊下面放帶長木板的小車,用手對小車施加水平拉力F.

滑塊在水平方向上受到2個力的作用:力傳感器的拉力和木板的摩擦力.由于滑塊始終處于靜止狀態,根據二力平衡原理,力傳感器示數等于滑塊所受摩擦力的大小.

3 對摩擦力的定性觀察

將實驗儀器按圖1所示連接,用手對木板施加水平拉力,力度由小而大,使木板相對滑塊滑動后持續5 s左右.啟動DIS繪圖功能,可得到摩擦力隨時間變化的圖像(圖2).

圖1 探究影響滑動摩擦力的因素的實驗裝置

圖2 摩擦力變化圖像

從圖2中可以看出,摩擦力先增大再減小到某一數值,然后基本保持不變.點擊工具欄中的選擇區域第3個圖標(見圖2圓圈處),選擇圖像中水平的一段,點擊“圖線分析”—“其他處理”—“平均值”按鈕,可求得滑動摩擦力平均值(如圖2).從圖中可看到,物體所受的最大靜摩擦力fm=1.0 N,滑動摩擦力Ff=0.840 N,fm>Ff.

4 探究滑動摩擦力與正壓力的關系

先來探究在正壓力FN變化時滑動摩擦力Ff的變化情況.因為滑塊放在水平桌面上,故接觸面之間的正壓力等于滑塊的重力.通過增減砝碼改變滑塊的重力,并用力傳感器測出滑塊的總重量.重復以上實驗,在Excel中記錄數據如表1所示.

表1 滑動摩擦力Ff與正壓力FN的關系

啟動Excel繪圖功能,做出Ff-FN圖像,并添加線性趨勢線(圖3所示).

圖3 Ff-FN擬合圖像

從圖中可以看到,所得Ff-FN圖線線性擬合程度很高.利用Correl函數,計算Ff與FN的線性相關系數r=0.998,說明滑動摩擦力的大小在誤差允許范圍內與正壓力大小成正比.

5 探究滑動摩擦力與接觸面積的關系

為了保證接觸面性質和平放時相同,在滑塊側面貼上同樣的白紙.分別用底面和2個側面作為摩擦面(此時應注意調節力傳感器的高度,使繩子保持水平),獲得數據如表2所示.

從表2中可以看出,在接觸面積有較大變化時,滑動摩擦力大小基本保持不變,說明滑動摩擦力大小與接觸面積無關.

表2 滑動摩擦力Ff與接觸面積S的關系

6 探究滑動摩擦力與接觸面性質的關系

將滑塊平放,分別在光滑的白紙、報紙和棉布上面進行實驗,獲得數據如表3所示.

表3 滑動摩擦力與接觸面性質的關系

從表3中可以看出,相同條件下白紙、報紙、棉布所對應的滑動摩擦力依次變大,即證明了滑動摩擦力的大小與接觸面的性質有關.

7 滑動摩擦力與速度的關系

最后探究滑動摩擦力與接觸面相對運動速度的關系.由于勻速運動的位移-時間圖像為傾斜的直線;反之,如果物體運動的位移圖像為曲線,則說明物體做變速運動.因此可以用位移傳感器記錄滑塊的位移圖像,通過位移圖像來研究物體運動的速度.將位移傳感器發射端固定在木板上,將位移傳感器接收端固定在鐵架臺上,使其與發射端保持正對.用手拉木板,使木板速度由慢到快.同時得到位移傳感器記錄下的位移圖像與力傳感器記錄下的拉力圖像,如圖4所示.

圖4 位移傳感器與力傳感器記錄的圖像

由滑塊運動后的位移圖像為曲線可以看出,木板和滑塊相對滑動速度逐漸變大,而由力的圖像可以看出滑動摩擦力大小基本保持不變,從而驗證了滑動摩擦力大小與接觸面相對速度無關.

8 結束語

用DIS探究影響摩擦力的因素實驗中,采用了固定滑塊而使木板相對滑動的方法,避免了直接拉滑塊時速度變化造成的誤差.采用控制變量法定量地驗證滑動摩擦力與正壓力、接觸面積、接觸面相對速度的關系.實驗過程簡單明了,效果明顯.可以增強學生的探究意識,鞏固和加深對摩擦力特點的認識.

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