“測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù)”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

王曉冬

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如何進(jìn)行

1.依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模_定實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)，實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)為滑動(dòng)摩擦力公式，其中f為滑動(dòng)摩擦力，μ為動(dòng)摩擦因數(shù)，為兩物體間正壓力.

2.依據(jù)實(shí)驗(yàn)理論依據(jù)，確定所要測(cè)量的物理量

根據(jù)，要測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)，只要測(cè)量滑動(dòng)摩擦力f及兩物體間正壓力即可.

3.確定實(shí)驗(yàn)的原理

摩擦力的測(cè)量，原理主要是根據(jù)平衡法，即使物體受到的摩擦力與拉力平衡，對(duì)拉力進(jìn)行測(cè)量.

4.制定實(shí)驗(yàn)方案，嘗試選擇實(shí)驗(yàn)方法及所需要的裝置與器材，對(duì)方案進(jìn)行反思修正.

方案1 運(yùn)用彈簧秤測(cè)壓力與滑動(dòng)摩擦力（以測(cè)量書與桌面間動(dòng)摩擦因數(shù)為例）

實(shí)驗(yàn)器材：彈簧秤、書.

實(shí)驗(yàn)操作：把書放在桌子上，水平拉彈簧秤，使書做勻速運(yùn)動(dòng)，讀出彈簧秤示數(shù)F1.再用彈簧秤書吊起來(lái)，當(dāng)書靜止不動(dòng)的時(shí)候，讀出彈簧秤示數(shù)F2.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：

反思與改進(jìn)：本實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)過(guò)程清晰，但誤差較大，主要原因?yàn)闀欠裨谧鰟蛩僦本€運(yùn)動(dòng)很難確定.可進(jìn)行如下改進(jìn)：書上粘上一條紙帶，讓紙帶穿過(guò)書后面的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，根據(jù)紙帶打點(diǎn)是否均勻來(lái)確定書是否做勻速運(yùn)動(dòng).

方案2 通過(guò)測(cè)量長(zhǎng)度來(lái)測(cè)量壓力與動(dòng)摩擦力（以測(cè)量木塊與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)為例）

實(shí)驗(yàn)器材：木塊、木板、墊木、刻度尺

實(shí)驗(yàn)操作：將墊木擱置在木板下面組成一個(gè)斜面，移動(dòng)墊木的位置，改變木板的傾角α，直到輕推木塊，木塊能沿斜面勻速運(yùn)動(dòng)，測(cè)量此時(shí)斜面高度h及在斜面水平面上投影的長(zhǎng)度f(wàn).

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：

反思與改進(jìn)：該方案取材方便，貼近生活，一把刻度尺就可以測(cè)定動(dòng)摩擦因數(shù).但與方案1相似，目測(cè)木塊是否做勻速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的誤差也較大.改進(jìn)的方法類似于方案1，也可以用光電門來(lái)判斷物體是否勻速運(yùn)動(dòng)，即在木塊上固定一遮光條，在斜面上不同的位置固定兩光電門，調(diào)整斜面傾角，直到木塊通過(guò)兩光電門時(shí)間相等即可.

方案3 用力傳感器測(cè)量動(dòng)摩擦力大小（以測(cè)量木塊與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)為例）

實(shí)驗(yàn)器材：傳感器和需要的相關(guān)軟件、電腦、木塊、繩子、長(zhǎng)木板、砝碼、天平.

實(shí)驗(yàn)操作：將實(shí)驗(yàn)器材按圖2連接好，將傳感器與電腦相連，手緩慢向右拉木板，直到木板運(yùn)動(dòng).電腦采集信號(hào)后，由配套軟件自動(dòng)生成摩擦力隨時(shí)間變化的圖象（圖3所示）.用天平測(cè)出砝碼和木塊的總質(zhì)量m.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：由于木塊與砝碼始終是不動(dòng)的，傳感器對(duì)它們的拉力與板對(duì)木塊摩擦力平衡，因此傳感器顯示的力等于摩擦力.圖象中，能看出摩擦力的變化過(guò)程，即摩擦力都由零增大到最大靜摩擦力，然后開始運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)，其滑動(dòng)摩擦力f1是不變的

反思：本方案優(yōu)于方案1、方案2.方案1、方案2中都必須保證物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，而本方案中用力拉木板，不管板做什么運(yùn)動(dòng)，傳感器顯示的力都等于摩擦力.

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一試身手

1.給你一個(gè)彈簧秤、木塊、細(xì)線、斜面、電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量木塊與斜面的動(dòng)摩擦因數(shù).

2.某同學(xué)在做測(cè)定木板與木塊間動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)方案：

方案A：木板固定，用彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)木塊，如圖4（a）所示；方案B：木塊固定，用手拉動(dòng)木板，如圖4（b）所示，除了實(shí)驗(yàn)必需的彈簧測(cè)力計(jì)、木板、木塊、細(xì)線外，該同學(xué)還準(zhǔn)備了質(zhì)量為200 9的配重若干.（g=10m/s²）

（1）上述兩種方案中，你認(rèn)為更合理的方案是______，原因是____；

（2）該實(shí)驗(yàn)中應(yīng)測(cè)量的物理量是______；

（3）該同學(xué)在木塊上加放配重，改變木塊對(duì)木板的正壓力，記錄了5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下表所示：

請(qǐng)根據(jù)上述數(shù)據(jù)畫出木塊所受摩擦力f和壓力的關(guān)系圖象；由圖象可求出木板和木塊間動(dòng)摩擦因數(shù)是

參考答案

1.將細(xì)線的一端系在木塊上，另一端系在彈簧秤的掛鉤上，在靜止情況下測(cè)出木塊的重力G.木塊放在斜面上，用彈簧秤沿平行于斜面的方向向上拉動(dòng)木塊，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器判斷木塊是否勻速運(yùn)動(dòng)，調(diào)整拉力大小，當(dāng)木塊做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，記下彈簧秤的讀數(shù)F.；同理用彈簧秤向下拉動(dòng)木塊，記下木塊做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧秤的讀數(shù)

2.（1）方案B較好，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果不受木板如何運(yùn)動(dòng)的限制，且彈簧測(cè)力計(jì)是靜止的，較易讀數(shù).（2）由木塊受力平衡得F彈=，故該實(shí)驗(yàn)中應(yīng)測(cè)量的物理量是木塊的重力、每次拉木板時(shí)彈簧的彈力.（3）根據(jù)表中數(shù)據(jù)畫出木塊所受摩擦力和壓力的關(guān)系圖象，由圖象可求出木板和木塊間動(dòng)摩擦因數(shù)是μ=0.25.endprint