利用DIS傳感器研究摩擦力速度溫度三者關系

李進

摘?要：文獻1中介紹了一個使用光電門等器材探究滑動摩擦力與速度關系的實驗，讓廣大教師對摩擦力有了更深入的認識，但受當年的技術局限，原實驗操作繁瑣，且數據處理量太大.隨著傳感器的普及，現在使用傳感器能精確地直接測量出摩擦力、速度以及溫度的大小，并通過更加便捷的數據分析得出摩擦力、速度、溫度三者間的“微妙”關系.

關鍵詞：中學物理;創新實驗;滑動摩擦力;傳感器

文章編號：1008-4134（2019）18-0052中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

1?問題的提出

在中學物理教學中，探究滑動摩擦力大小與哪些因素有關時，學生常常會猜想滑動摩擦力大小與相對速度有關.文獻1中通過實驗對于這一問題進行了研究，先用兩個相距2cm的光電門測出一個木制滑塊在鉛軌上滑動的相對速度和加速度，再用牛頓第二定律算出摩擦力大小，通過收集數據，分析得出滑動摩擦力的大小隨相對速度的增大而先減小后增大的結論.原實驗雖然設計巧妙，但是也存在不足之處：一是測量滑塊的瞬時速度誤差大，而且間接計算摩擦力的大小會致使數據失實;二是因技術受限，對摩擦生熱導致摩擦力大小隨速度變化的研究停留在猜想階段;三是對于影響滑動摩擦力大小的其它因素未有效控制，研究對象單一，偶然性大等.筆者將藍牙無線分體式位移傳感器和力傳感器安裝在自制的裝置上，不僅可以直接測量出摩擦力、速度以及溫度的大小，并且借助軟件即時顯示各物理量間的關系圖像.

2?實驗設計與探索

2.1?實驗原理

實驗裝置如圖1所示，本實驗的主要部件為摩擦片和摩擦軌道，在水平工作臺的右端安裝一個定滑輪，讓細繩繞過定滑輪，細繩一端吊有重物1，另一端連接在摩擦片上，拉動摩擦片在摩擦軌道上加速向右滑動.改變摩擦片的材質，依次更換為鋁箔、亞克力板和硬紙片等，多次重復實驗.

與摩擦片一起移動的還有位移傳感器的移動端和紅外線溫度傳感器.位移傳感器的移動端與放置在摩擦軌道上的位移傳感器固定端配合工作能準確地記錄摩擦片的速度變化;紅外線溫度傳感器能實時記錄摩擦片的溫度變化.力傳感器與摩擦軌道連接，待摩擦片在摩擦軌道上滑動時，力傳感器可以顯示兩者間的摩擦力大小.

用DIS系統的通用軟件采集數據，并分析生成摩擦力大小隨時間變化的圖像、速度隨時間變化的圖像以及溫度隨時間變化圖像.通過對圖像的分析和進一步處理，可以得出滑動摩擦力與相對速度的關系以及滑動摩擦力與溫度的關系.

2.2?實驗器材

朗威·微力傳感器LW-F803（規格：-2N-+2N）（如圖2所示）、朗威·分體式位移傳感器LW-F831（量程：0cm-2cm）（如圖3所示）、朗威·紅外線溫度傳感器（如圖4所示）、無線收發器、數據采集器、水平工作臺（高度2m）、自制有輪支架式摩擦軌道（如圖5所示）、自制摩擦片架（如圖6所示）、定滑輪、重物、細繩、摩擦片（木片、橡膠片、鋼片）等.

2.3?實驗步驟和數據記錄

（1）如圖1所示安裝實驗裝置，將潔凈的鋁箔摩擦片安裝在摩擦片支架上，在實驗開始之前，用酒精清洗摩擦軌道的摩擦面，并晾干待檢.將分體式傳感器固定端安裝在摩擦軌道上，分體式傳感器移動端和

紅外線溫度傳感器安裝在摩擦片的支架上，并連接好

細繩和重物等，用電子秤測量摩擦片、支架、支架上的傳感器、細繩和重物1（簡稱加速物）的總質量m，實驗中總質量保持不變.

（2）打開DIS通用軟件，調試好參數，力傳感器勻速拉動軌道及其加載物，此時力傳感器對軌道拉力等于水平工作臺對軌道的滾動摩擦力，操作電腦上的軟件電子校零力傳感器從而消除軌道受水平工作臺的滾動摩擦對實驗的影響，再固定在水平工作臺上.

（3）釋放掛在細繩右端的重物1，同時操作DIS通用軟件，點擊開始，采集數據，再根據數據生成摩擦力1、相對速度1和溫度1隨時間變化的圖像（如圖7所示）.

（4）將鋁箔摩擦片換為亞克力板，重復以上實驗.由采集到的數據，生成摩擦力2、相對速度2、溫度2隨時間變化的圖像（如圖8所示）.從而分析不同材料的滑動摩擦力與相對速度的關系.

（5）將亞克力板摩擦片更換為硬紙板摩擦片，再重復以上實驗.由采集到的數據，生成摩擦力3、相對速度3、溫度3隨時間變化的圖像（如圖9所示）.

2.4?實驗結論

（1）如圖10所示，對上述實驗數據和圖像分析處理可以發現確實存在原實驗所說 “滑動摩擦力的大小與相對速度有關，滑動摩擦力的大小隨相對速度的增大而先減小后增大”的現象.

（2）由圖11所示摩擦力隨時間變化的圖像可以看出，原實驗中木塊在鉛軌上運動的距離短，觀察到的只是一種木塊勻加速狀態下的特殊現象，其結論值得商榷.

再由圖12所示，物體在另一個物體上滑動時，其運動狀態絕非勻加速這么簡單，是一個復雜的變加速運動狀態.物體的速度變化隨合外力變化而變化.換言之，在另一個物體上滑動物體的速度變化受到摩擦力的影響.即速度大小與摩擦力大小有關，且為直接關系.致于摩擦力大小受到速度大小的影響只是通過溫度變化實現的間接關系，因此接下來要分析摩擦力

與溫度的關系以及溫度與速度的關系，才能厘清三者的關系.

（3）由如圖13所示的溫度與速度的關系圖像可知：三種材質的摩擦片與不銹鋼軌道摩擦時，摩擦片的速度越大，摩擦片的溫度越高.

（4）由如圖14所示的摩擦力與溫度的關系圖像可知：三種材質的摩擦片與不銹鋼軌道摩擦時，摩擦片的溫度越高滑動摩擦力越大.

3?理論分析

由結論1可知摩擦力、溫度、速度三者存在相互關系，再由結論2速度越大溫度越高和結論3溫度越高摩擦力越大可以推理：物體運動中克服摩擦力做功，機械能轉化為內能，溫度升高，摩擦力增大，物體受到前行方向上的合外力導致物體減速，即原實驗所說的現象“速度減小摩擦力增大”，事實上正好相反，是“摩擦力增大速度減小”.速度減小，物體做功的功率減小，也就是單位時間內機械能轉化為內能的量減少了，由于摩擦片和摩擦軌道之間、摩擦片與環境間存在溫度差，會不斷對外放熱，因此摩擦片的溫度隨速度減小而下降，致使摩擦力因降溫而減小，物體受到前行方向上的合外力導致物體再次加速，溫度升高，如此循環，如圖15所示.

由于摩擦片的材料的傳熱性和比熱容不同，摩擦片的溫度變化有差異.另外，摩擦片的內能會累積，運動的時間越長，溫度越高，對摩擦力的影響就越大，所以從上面的圖像中可以看到摩擦力變化呈現周期性加劇的特點.超高溫下會有更多的特性值得研究.

通過以上分析，可以知道滑動摩擦力與相對速度的關系不是直接的，而研究摩擦力與溫度的關系更有實際價值.生活生產中的應用價值為可以通過比較不同材料的摩擦力大小受到溫度影響的不同，來選取制造摩擦片的材料.

在中學物理教學中，對學生提出的一些疑問，教師積極研究可以感染學生，培養學生的科學精神和素養.通過創新實驗，可以幫助學生復習力與運動的關系、機械能與內能的轉化以及物質屬性等多個知識點.有利于學生建構知識網絡，培養綜合分析問題的能力.

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