摩擦力探究實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陸豐

摘 要：在定量探究“影響摩擦力大小因素”的實(shí)驗(yàn)中，存在“彈簧測力計(jì)的精度低、長木板的裝置笨、接觸面材料的改變不方便”等不足.用電子秤替代彈簧測力計(jì)，提高了測量精度;用傳送帶替代長木板，減小了儀器體積;用電動(dòng)機(jī)代替手搖柄，使實(shí)驗(yàn)裝置的性能更加穩(wěn)定.雙面膠容易更換接觸面的材料，壓塊和定滑輪使電子秤的功能由測質(zhì)量擴(kuò)展到測摩擦力和動(dòng)摩擦因數(shù)乃至能夠判斷電動(dòng)小車前后輪所受摩擦力的方向.

關(guān)鍵詞：摩擦力;探究實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）14-0020中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

生活中的摩擦力隨處可見，學(xué)生對此興趣很濃，以學(xué)生熟悉的電動(dòng)自行車為例（如圖1）：輪胎上刻有花紋、車輪做成圓形、塑料套緊套在把手上、轉(zhuǎn)動(dòng)部分添加潤滑油、腳踏板凹凸不平、剎車時(shí)用力捏閘、車軸處裝有滾珠、車的把手上有凹槽……，都是工程師們對摩擦力的巧妙應(yīng)用.

為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生參與學(xué)習(xí)與研究的興趣，就要進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生去挖掘摩擦力存在的意義與價(jià)值，我們雖然無法隨心所欲地控制摩擦，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[1].筆者就利用課余時(shí)間，和學(xué)生們一起探索摩擦力，并引導(dǎo)學(xué)生開啟摩擦力探究的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，怎樣探究摩擦力的規(guī)律呢？如何測量其大小？怎樣判斷其方向？其實(shí)驗(yàn)裝置又如何設(shè)計(jì)？等等……

1 摩擦力大小的測量設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)

（1）測量原理：傳統(tǒng)的測量原理如圖2所示，用彈簧測力計(jì)勻速拉動(dòng)物塊，與水平接觸面發(fā)生相對滑動(dòng)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)就等于物塊所受摩擦力的大小.其中的圖A為初中物理教材上的插圖，圖B為改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置.改進(jìn)后的彈簧測力計(jì)與物塊被固定在裝置上.拉動(dòng)長板，雖然物塊和長板之間發(fā)生了相對滑動(dòng)，但是彈簧測力計(jì)與物塊保持靜止，既避免了勻速拉木塊的難度，又?jǐn)[脫了彈簧測力計(jì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的讀數(shù)困難.

（2）裝置實(shí)物：物塊采用長方體木塊，其平面、側(cè)面、立面設(shè)置了能放置鉤碼的圓孔，可方便地改變受力面積，如圖3所示.將不同個(gè)數(shù)的50g鉤碼置于木塊上表面的圓孔中，能方便地改變壓力的大小，實(shí)物如圖4所示.改進(jìn)后裝置如圖5所示.

（3）存在問題：圖5裝置雖解決了圖4的不足，但還存在下列問題：①由于長板較長，該裝置的整體顯得比較龐大，隨身攜帶不便;②該裝置作為定性研究是可行的，但作為定量探究影響摩擦力大小的因素是有困難的.尤其是彈簧測力計(jì)的分度值較大，導(dǎo)致測得的精度較低.而且改變接觸面的材料也不方便.凡此種種，必須對圖5所示裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì).

1.2 裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

我們經(jīng)歷了下列三個(gè)層次的進(jìn)階過程：

（1）傳送帶代替長木板，減小裝置長度：木塊通過細(xì)線與固定在裝置上的彈簧測力計(jì)相連，傳送裝置通過搖動(dòng)用自來水管及其接口制成的搖柄使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)傳送帶在水平方向移動(dòng).傳送帶與靜止的木塊發(fā)生相對滑動(dòng)，其實(shí)物裝置如圖6所示.裝置的長度明顯減小，能夠隨身攜帶.

（2）電子秤代替測力計(jì)，提高測量精度：該彈簧測力計(jì)的分度值為0.1N，精度較低.電子秤的精度為10-2g，轉(zhuǎn)換為測力計(jì)后，其精度為10-4N，是彈簧測力計(jì)的1000倍，可以定量探究摩擦力的相關(guān)規(guī)律.其實(shí)物裝置如圖7所示.木塊與傳送帶之間的摩擦力通過定滑輪、壓塊，傳遞到電子秤，顯示屏可直接顯示出摩擦力的大小.壓塊的作用擴(kuò)大了電子秤的測量功能，能測量拉力.定滑輪的作用是改變力的方向，使水平方向的摩擦力轉(zhuǎn)化為豎直方向的拉力.壓塊置于電子秤的秤盤上后清零，搖動(dòng)手搖柄，顯示屏的示數(shù)就是摩擦力的大小，再通過換算系數(shù)×10-2，單位為N.

（3）電動(dòng)機(jī)代替手搖柄，變手動(dòng)為電動(dòng)：手動(dòng)的操作不方便，裝置的穩(wěn)定性不夠.因此對傳送裝置進(jìn)行再創(chuàng)新，成為第三代產(chǎn)品，其實(shí)物如圖8所示.為減小轉(zhuǎn)軸的摩擦，采用軸承傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶減速裝置，使傳送帶緩慢運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了裝置的穩(wěn)定性.電動(dòng)機(jī)的主軸通過皮帶輪與傳送裝置的轉(zhuǎn)軸相連.相比而言，電動(dòng)型結(jié)構(gòu)更優(yōu)，體積更小，操作更易，性能更好，更適合于對摩擦力的定量探究.實(shí)現(xiàn)了真正意義上的裝置創(chuàng)新[2].

2 摩擦力方向的判斷設(shè)計(jì)

2.1 滑動(dòng)摩擦力的方向判斷

（1）設(shè)計(jì)原理：讓牙刷與手面作相對運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向或相對運(yùn)動(dòng)趨勢的方向用箭頭的指向表示，如圖9所示.當(dāng)牙刷有相對于手面向右（左）運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的摩擦就是滑動(dòng)摩擦，牙刷毛發(fā)生形變的方向向左（右）.當(dāng)牙刷相對于手有向右（左）運(yùn)動(dòng)的趨勢時(shí)，產(chǎn)生的摩擦就是靜摩擦，牙刷毛發(fā)生形變的方向也向左（右）.而牙刷毛發(fā)生形變的方向就是牙刷所受摩擦力的方向.由此可以得出：摩擦力的方向與物體相對運(yùn)動(dòng)的方向或相對運(yùn)動(dòng)的趨勢方向相反.

（2）應(yīng)用實(shí)例：我們用一個(gè)家用的普通毛刷與一個(gè)小馬達(dá)連接起來，再用一個(gè)棉簽或扇葉來調(diào)節(jié)它的運(yùn)動(dòng)速度，就創(chuàng)新成了一個(gè)無輪電動(dòng)小車，其實(shí)物如圖10所示.在控制棉簽彎曲程度的基礎(chǔ)上，閉合開關(guān)，電動(dòng)小車就會(huì)作曲線運(yùn)動(dòng)，觀察毛刷的形變方向，就能判斷電動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)過程中所受摩擦力的方向是如何變化的.

2.2 車輪摩擦力的方向判斷

（1）設(shè)計(jì)原理：將電動(dòng)玩具小車A代表自行車或汽車，其裝置模型如圖11所示.紅色輪子為主動(dòng)輪，設(shè)置在后輪，并居中放在二個(gè)裝有小輪子的長板B和C上.閉合小車開關(guān)，使其向右（前）運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)長板C也在向右（前）運(yùn)動(dòng)，而長板B卻在向左（后）運(yùn)動(dòng)，說明長板B受到一個(gè)向左（后）的作用力，由于力的作用是相互的，主動(dòng)輪受到一個(gè)向右（前）力的作用，這個(gè)力就是摩擦力，力的方向與該小車的運(yùn)動(dòng)方向相同，同理可知：小車A的前（從動(dòng)）輪受到的摩擦力的方向向左（后）.即自行車的后輪受到摩擦力（靜摩擦）的方向向前，與自行車運(yùn)動(dòng)的方向一致，這個(gè)摩擦力（靜摩擦）才是使自行車前進(jìn)的動(dòng)力.前輪受到摩擦力（滾動(dòng)摩擦）的方向向后，與自行車運(yùn)動(dòng)的方向相反，是阻力.

（2）應(yīng)用實(shí)例：

圖12是設(shè)計(jì)原理的實(shí)際應(yīng)用照片，圖甲為靜止的電動(dòng)小車A，放在二個(gè)能前后運(yùn)動(dòng)的長板B和C上.閉合開關(guān)，電動(dòng)小車A向右運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)長板B向左運(yùn)動(dòng)，長板C向右運(yùn)動(dòng)，如圖乙所示.說明電動(dòng)小車的左輪是主動(dòng)輪，給長板B一個(gè)向左的作用力，長板B也反作用于左輪，左輪受到的摩擦力方向向右，使電動(dòng)小車向右運(yùn)動(dòng).該力方向與運(yùn)動(dòng)方向一致，是動(dòng)力.同理可得：右輪受到的摩擦力方向向左，與運(yùn)動(dòng)方向相反，是阻力.

3 摩擦力影響因素的探究設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：①分別按電子秤的開關(guān)鍵、歸零鍵，將單位鍵置于g;②將木塊置于秤盤的中間，讀出電子秤的示數(shù)，即為木塊的質(zhì)量m0;③換算為傳送帶受到的壓力F=m0g，其大小為顯示屏示數(shù)的百分之一，單位為N;④將壓塊置于電子秤的秤盤上去皮歸零;⑤將木塊無孔之面平放于傳送帶上，細(xì)線通過定滑輪分別與壓塊和木塊連接.閉合開關(guān)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳送帶與木塊之間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，讀出此時(shí)電子秤的示數(shù)并單位換算.

（2）改變壓力：分別往木塊的小孔中增加1、2、3、4個(gè)50g的鉤碼，換算成壓力.

（3）改變接觸面積：分別將木塊無孔側(cè)放、無孔立放、有孔平放、有孔側(cè)放，測量并記下電子秤示數(shù).

（4）改變接觸面粗糙程度：用雙面膠分別將鏡紙面、紙板面、塑料面、棉布面和水沙面粘貼在木塊下表面，測量并記下電子秤示數(shù).

3.2 收集數(shù)據(jù)

將測得數(shù)據(jù)換算后填入表1.

3.3 分析論證

由表中的數(shù)據(jù)不難看出：滑動(dòng)摩擦力的大小與壓力的大小有關(guān)，與物體接觸面的粗糙程度有關(guān)，與接觸面的大小無關(guān).

3.4 畫成圖像

將表1中2、3二行的數(shù)據(jù)畫成函數(shù)圖像，如圖13所示.

3.5 得出結(jié)論

同一接觸面物體所受到的滑動(dòng)摩擦力的大小與其所受壓力的大小成正比，即f=μF.

3.6 拓展延伸

該圖像的斜率就是動(dòng)摩擦因素μ，它描述的是接觸面阻礙物體運(yùn)動(dòng)的能力，動(dòng)摩擦因素μ越大，其表面阻礙物體運(yùn)動(dòng)的能力就越強(qiáng).由表中數(shù)據(jù)，再根據(jù)μ=f/F分別計(jì)算得鏡紙面、木板面、紙板面、塑料面、棉布面、水沙面的動(dòng)摩擦因數(shù)：μ鏡=0.04;μ木=0.25;μ紙=0.32;μ塑=0.38;μ棉=0.44;μ沙=0.59.說明在上述6種接觸面中，就阻礙物體運(yùn)動(dòng)的能力而言，沙紙面最強(qiáng)，其次分別是棉布面、塑料面、紙板面、木板面，鏡紙面的阻礙能力最弱.其本質(zhì)是接觸面越粗糙，阻礙物體相對運(yùn)動(dòng)的能力越強(qiáng)，接觸面越光滑，其阻礙物體相對運(yùn)動(dòng)的能力就越弱[3].

3.7 創(chuàng)新要點(diǎn)

摩擦力探究實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，有下列創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）思路新：本裝置以壓塊作中介物，將拉力轉(zhuǎn)化為壓力，將電子秤測質(zhì)量功能擴(kuò)展到測拉力、摩擦力;

（2）精度高：精度為0.0001N，是彈簧測力計(jì)的1000倍，能定量探究摩擦力的影響因素;

（3）體積小：用傳送帶代替長木板，能縮小體積，可隨身攜帶;

（4）測量快：利用電子秤的去皮功能，可以快速測量;

（5）操作易：利用木塊內(nèi)的圓孔，放置鉤碼，改變壓力很方便.雙面膠作接觸面調(diào)換材料的中介物，改變粗糙程度也很容易;

（6）成本低：除電子秤、鉤碼外、其余都用廢舊的小馬達(dá)、三夾板、食品盒、塑料水管及其接口、尼龍搭扣、布、塑料等制作而成，成本低、容易加工;

（7）功能多：除了能測量質(zhì)量和重力、摩擦力、彈力等外，還能計(jì)算出動(dòng)摩擦因素和判斷汽車前后輪摩擦力的方向.

參考文獻(xiàn)：

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