摩擦力探究實(shí)驗(yàn)儀

粱亦星

研究動(dòng)機(jī)

生活中摩擦力隨處可見，但是在我們還沒有接觸物理學(xué)的時(shí)候，也許不會(huì)有人注意到它的存在，因?yàn)槲覀兞?xí)以為?？匆娝屧诓莸厣蠞L動(dòng)的足球停下，司空見慣兩件粗糙的物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)出難聽的摩擦聲……無法想象沒有摩擦力的世界有多么可怕，汽車、火車、自行車都將失靈，我們還能像現(xiàn)在一樣走路嗎？我們還能握住一個(gè)東西不使它掉下嗎？寫字的時(shí)候筆還能用嗎？

任何一樣?xùn)|西只要存在，那么一定有它存在的道理。我們無法隨心所欲地控制摩擦力，但我們能尋找它的規(guī)律并巧妙地使它發(fā)揮最大的作用，因此，為了增加物理課堂教學(xué)的直觀性，我就打算設(shè)計(jì)一個(gè)能探究滑動(dòng)摩擦力和靜摩擦力規(guī)律的儀器。

研究目的

在物理課堂進(jìn)行摩擦力有關(guān)內(nèi)容的教學(xué)時(shí)，常遇到學(xué)生看不清、理解不透的困擾。因此我希望能把最簡(jiǎn)單的裝置改造成盡可能的多方面呈現(xiàn)摩擦力的大小和規(guī)律的實(shí)驗(yàn)儀器，提高學(xué)生對(duì)摩擦力的認(rèn)知。

摩擦力探究學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀具有如下功能。

◇探究接觸面的粗糙程度對(duì)摩擦力大小的影響；

◇探究接觸面的大小對(duì)摩擦力大小的影響；

◇探究物體所受的正壓力對(duì)摩擦力大小的影響；

◇探究物體的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)摩擦力大小的影響。

裝置的組成

◇遙控器：遙控器中間接著一條導(dǎo)線用來發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過幾次測(cè)試，無線遙控器的遙控距離超過30米（見圖1）。

◇使用了藍(lán)牙技術(shù)，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以無線傳送到計(jì)算機(jī)，并將各種摩擦力大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的圖像，讓觀察者能更清晰地看到各種情況下摩擦力的變化情況，方便分析。

◇驅(qū)動(dòng)裝置是可遙控的，由直流電機(jī)作動(dòng)力源，并可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為平動(dòng)（見圖2）。

◇力傳感器（見圖3）是實(shí)驗(yàn)中最主要的部分。有了它，我們就能測(cè)量出各種下情況下的摩擦力大小，并且能清晰地了解摩擦力大小是否與實(shí)驗(yàn)道具接觸面大小有關(guān)，是否與實(shí)驗(yàn)道具所受壓力大小有關(guān)。是否與復(fù)合板滑行速度有關(guān)……。傳感器測(cè)量力的大小能精確到小數(shù)點(diǎn)后三位，對(duì)于較精準(zhǔn)的計(jì)算起了很大的作用。同時(shí)傳感器有非常多的功能按鈕，如果沒有傳感器，實(shí)驗(yàn)將缺少十分重要的測(cè)試數(shù)據(jù)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，傳感器提供的數(shù)據(jù)也是我們研究摩擦力必不可少的重要因素，整個(gè)測(cè)量裝置見圖4。

研究方法

首先制作一個(gè)兩面平滑、兩面粗糙（砂紙面）的長(zhǎng)方體木塊作研究對(duì)象。我們測(cè)量了當(dāng)木塊與木板的接觸面大小不同、粗糙程度不同（有砂紙或無砂紙），木塊的質(zhì)量、體積不變，運(yùn)動(dòng)速度不變的條件下摩擦力的大小。

經(jīng)我們的觀察得出：在木塊物體靜止時(shí)，存在力阻止木塊移動(dòng)，且這個(gè)力的大小與我們所施加的外力相等，這個(gè)力就是靜摩擦力，可見我們準(zhǔn)確地測(cè)出了靜摩擦力。

反復(fù)測(cè)量并整理數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論。

◇木塊恰好開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到最大靜摩擦力，最大靜摩擦力比動(dòng)摩擦力大，而動(dòng)摩擦力為定值。

◇摩擦力的大小與兩物體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度和接觸面積無關(guān)，僅取決于接觸面的粗糙程度和物體所受正壓力的大小。

雖然許多東西看起來很光滑，但在顯微鏡下觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的表面凹凸不平。當(dāng)兩件物體互相接觸時(shí)，物體表面凸起的部分，會(huì)卡住另一物體表面凹下的部分。如果這兩件物體之間發(fā)生滑動(dòng)，它們表面上凹凸不平的地方就會(huì)互相拉扯，阻礙滑動(dòng)。這時(shí)候，其中一物體表面作用于另一物體表面的力，就是摩擦力。

為什么摩擦力的大小與接觸面積無關(guān)，卻與物體間的壓力大小有關(guān)呢？

微觀下物體的表面總是很粗糙的，實(shí)際上兩物體并不會(huì)完全緊密地貼合。我們?nèi)庋鬯姷慕佑|面積，其實(shí)是小于實(shí)際接觸的面積的。所以摩擦力的大小，與肉眼所見的接觸面積并無直接關(guān)系。不過，若物體間的壓力增加，便會(huì)增大兩物體間的實(shí)際接觸面積，令兩物體間的相互作用增加（相互作用力增加），使摩擦力增大。

市場(chǎng)前景

在物理課堂實(shí)驗(yàn)中，有關(guān)摩擦力研究的實(shí)驗(yàn)儀器精確度、可視效果不夠理想，本作品把傳感技術(shù)、電子技術(shù)和視頻技術(shù)等與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置有機(jī)組合，實(shí)驗(yàn)精確度和視覺效果都較理想。倘若配合精美設(shè)計(jì)將更趨完美，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單方便。高性價(jià)比讓其市場(chǎng)前景廣闊。

該項(xiàng)目獲得第31屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

該項(xiàng)目制作了摩擦力實(shí)驗(yàn)儀。選題內(nèi)容新穎。概念清晰。對(duì)教學(xué)有重要的參考價(jià)值。具有很強(qiáng)的實(shí)用性。項(xiàng)目材料完整，展示問辯表現(xiàn)優(yōu)異。