一種摩擦力演示裝置設(shè)計

楊文錦 楊賽 薛翔云 王微 胡智慧

摘??要：摩擦力是一種常見的力，同時也是一種多因素共同決定的力。很多人對摩擦力的概念感覺抽象不容易理解，尤其是摩擦力的大小與接觸面的關(guān)系問題。為了輔助摩擦力教學(xué)，筆者設(shè)計了一臺摩擦力演示裝置。文章主要介紹了該演示裝置的設(shè)計原理、裝置構(gòu)成、制作方法以及儀器的詳細使用方法。它適用于學(xué)生做基礎(chǔ)的摩擦力驗證實驗。

關(guān)鍵詞：演示裝置???滑動摩擦力???靜摩擦力???接觸面

中圖分類號：G633.7

Design?of?a?Friction?Demonstration?Device

YANG?Wenjin*???YANG?Sai??XUE?Xiangyun??WANG?Wei??HU?Zhihui

（Taiyuan?Institute?of?Technology，?Taiyuan，?Shanxi?Province，?0300008（郵編多一位，請確認）?China）

Abstract：?Friction?is?a?common?force?and?also?a?force?determined?by?multiple?factors.?Many?people?feel?that?the?concept?of?friction?is?abstract?and?difficult?to?understand，?especially?the?relationship?between?the?magnitude?of?friction?and?the?contact?surface.?In?order?to?assist?the?teaching?of?friction，?the?author?designed?a?friction?demonstration?device.?The?article?mainly?introduces?the?design?principle，?device?composition，?production?method?and?detailed?usage?method?of?the?demonstration?device.?It?is?suitable?for?students?to?conduct?basic?friction?verification?experiments.

Key?Words：?Demonstration?device;?Sliding?friction?force;?Static?friction?force;?Contact?surface

物理教學(xué)中，摩擦力是一種常見力，關(guān)于摩擦力的概念較為抽象，主要是因為摩擦力的大小和方向會依據(jù)實際情況而變化，使很多同學(xué)在學(xué)習(xí)時感到了困惑。摩擦力分為靜摩擦力和滑動摩擦力兩類：靜摩擦力大小和方向是依據(jù)物體實際所處的狀態(tài)而變化的，最大靜摩擦力要比滑動摩擦力大，但是通常又將最大靜摩擦力按照等于滑動摩擦力處理；滑動摩擦力的大小與正壓力和接觸面間的摩擦系數(shù)有關(guān)，與接觸面的大小無關(guān)。物體處于靜止和運動狀態(tài)都可能會受到靜摩擦力，也可能會受到滑動摩擦力，靜摩擦力和滑動摩擦力可能是阻力也可能是動力。由于人們受固有思維影響和摩擦力本身較為復(fù)雜的原因，在摩擦力的教學(xué)中，利用教學(xué)設(shè)備進行演示實驗是探究摩擦力最好的方法[1-2]。如圖1所示，教材中簡易的手拉彈簧測力計帶動滑塊在木板上做水平勻速直線運動，根據(jù)二力平衡原理，彈簧測力計的示數(shù)就是滑動摩擦力的大小[3]。

這種實驗裝置設(shè)計簡單、容易搭建，但是卻存在比較明顯的缺點。缺點如下：（1）彈簧測力計與物塊一起運動，彈簧測力計的受力嚴格來說是不滿足受力平衡的，是不能將測力計的讀數(shù)作為摩擦力來用的。（2）手動拖拽彈簧測力計運動，顯示示數(shù)不能穩(wěn)定、讀數(shù)困難、操作過程隨機性較大很難實現(xiàn)勻速運動、測力計運動讀數(shù)誤差較大、對最大靜摩擦力的測量很難精確、較難實現(xiàn)控制變量法進行各因素對摩擦力大小影響的研究。如圖2所示，一般經(jīng)過改進后的演示儀，很多方面都有了進步，但是也有各自不同的缺陷。例如：使用皮傳送帶作為物塊接觸面的，由于傳送帶有彈性放置物塊會彎曲變形，不能完全做到水平摩擦[4-5]，這樣測到的摩擦力也就不能完全是水平摩擦力，存在較大的系統(tǒng)誤差。還有一些改進演示儀[6]，只能定性描述摩擦力的方向，無法定量讀出摩擦力的大小，也無法運用控制變量法測得各因素對摩擦力大小的影響。還有演示儀，物體的重力作用不能被完全忽略，難以保證水平運動[7]。

為解決上述問題，我們小組自主研制出一種摩擦力演示裝置，有效解決了摩擦力實際教學(xué)過程中遇到的問題。下面就將該演示裝置各部分的結(jié)構(gòu)功能，以及具體實驗方案進行詳細說明。

1??演示裝置的構(gòu)成

1.1??摩擦力演示儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖3所示，儀器整體分為四部分：底座支架、電機牽引裝置、摩擦發(fā)生裝置、摩擦力檢測裝置。

其中底座支架質(zhì)量較大與桌面間有較大的摩擦，很穩(wěn)固，可以調(diào)節(jié)水平并且呈L形。在底座的末端安裝一個可控電機，在支架的頂端做延伸用于放置砝碼和固定測力計。

電機牽引裝置包括電機、變壓器、電池，電機牽引裝置作為一個整體安裝在底座的尾部。電機的工作效率是可以進行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)旋鈕安裝在電機牽引裝置的側(cè)面。電機滾輪轉(zhuǎn)動時，將連接在電機上的牽引繩不斷地纏繞，從而達到牽引移動板小車運動的目的。

摩擦發(fā)生裝置包括移動板小車、砝碼托盤、砝碼、粘貼面，其中砝碼和粘貼面可以根據(jù)需要進行替換。實驗測量的是砝碼托盤與移動板小車之間的摩擦力。

摩擦力檢測裝置包括彈簧測力計、定滑輪、托盤牽引繩，彈簧測力計靜止，可以嚴格測量最大靜摩擦力和滑動摩擦力。

1-底板；101-牽引電機；102-移動板牽引繩；103-定滑輪支架；104-定滑輪；2-側(cè)板；3-懸梁；301-備用砝碼；4-移動板；401-行走輪；402-毛氈布粘貼面；403-砝碼托盤；404-托盤牽引繩；405-彈簧測力計；406-大理石板粘貼面；407-配重砝碼；408-水泥粘板貼面

1.2??各部件間的連接方式

如圖4演示儀的三維建模圖所示，底座支架承載整個裝置，底座的長度要夠，能滿足小車的運動空間。小車的輪子小，牽引繩安裝在小車前端中央，前后的牽引繩拉緊時保持水平，確保小車在運動過程中不偏移出長底座。電機牽引小車移動，電機的工作效率可以進行調(diào)節(jié)，能使小車作加速運動，也能做勻速運動。彈簧測力計垂直懸掛在底座支架上，拉動測力計的繩子拉緊時確保豎直鉛垂。砝碼托盤有一定的凹槽，確保在加速運動時砝碼不會與砝碼盤之間有相對運動。

（1）底板、側(cè)板、懸梁由支撐部件連接固定，懸梁邊緣打上小孔。

（2）電池盒、電機、變壓器由電線連接，變壓器與電池盒重疊固定在底板尾部，在電機牽引輪上綁上牽引繩，電機靠后固定且使牽引繩居中。

（3）給移動板兩側(cè)打孔，安裝行走輪，連接牽引繩，使牽引繩水平居中，在移動板上放有砝碼盤，砝碼盤一側(cè)連接托盤牽引繩。

（4）安裝定滑輪到指定位置，調(diào)整定滑輪高度，使托盤牽引繩水平繞過，彈簧測力計一端連接托盤牽引繩，一端連接懸板邊緣掉孔，調(diào)整定滑輪水平位置使彈簧測力計垂直。

2??演示裝置的使用方法

該裝置采用以恒定電流驅(qū)動的電機產(chǎn)生拉力，使得所拉移動板以某速度運動。通過改變粘貼面材料、改變砝碼數(shù)量、更換材料質(zhì)量相同但面積不同的砝碼托盤、改變電機轉(zhuǎn)速等來實現(xiàn)控制變量法研究摩擦力與摩擦力系數(shù)、正壓力、接觸面積、相對運動速度等因素之間的關(guān)系。

2.1??測量最大靜摩擦

調(diào)節(jié)儀器底板水平，放置初始黏板和砝碼，調(diào)整牽引繩水平和居中，將彈簧測力計調(diào)零或記錄初始數(shù)據(jù)。打開電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，當移動板與砝碼盤即將發(fā)生相對運動時停止調(diào)節(jié)，記錄此時彈簧測力計顯示的數(shù)值，重復(fù)實驗3次以上。記錄數(shù)據(jù)減去彈簧測力計上的初始值，取平均就是最大靜摩擦力。分別改變移動板上的粘貼面，改變砝碼數(shù)量，更換砝碼盤，再進行實驗。

2.2??測量滑動摩擦力

調(diào)節(jié)儀器底板水平，將所要測量的黏板粘貼到移動板上，然后放上砝碼盤，調(diào)整移動板與砝碼盤位置，放置砝碼調(diào)整牽引繩水平和居中，將彈簧測力計調(diào)零或記錄初始數(shù)據(jù)。打開電源開關(guān)，電機緩慢加速，當移動板勻速運動時，記錄此時彈簧測力計數(shù)值，再次加速，移動板穩(wěn)定時記錄數(shù)值。重復(fù)實驗3次以上，結(jié)果取均值，即為測量得的可靠滑動摩擦力。

分別改變移動板上的粘貼面，改變砝碼數(shù)量，更換砝碼盤，再進行實驗。

3??結(jié)語

該裝置在前人的基礎(chǔ)上利用牽引電機，使得實驗中的受力恒定，讀數(shù)穩(wěn)定；同時，實現(xiàn)了控制變量法測各因素對靜摩擦力和滑動摩擦力的影響。

不足之處：整個裝置在讀取摩擦力大小時并未采用數(shù)字屏顯示，導(dǎo)致讀取摩擦力時會產(chǎn)生誤差。

改進措施：將摩擦力通過數(shù)字信號直接顯示出來，能極大地降低肉眼讀數(shù)所帶來的誤差。

參考文獻

[1]尹慧萍.自制教具在中學(xué)物理力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].岳陽：湖南理工學(xué)院，2021.

[2]陳華軒.利用自制教具探究不同場景下的靜摩擦力[J].中學(xué)教學(xué)參考.2023（15）：47-49.

[3]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版集團，2022.

[4]李釗.自制高中物理教具的應(yīng)用：摩擦力演示儀為例[D].廣州：廣州大學(xué)，2020.

[5]葛宏宇.平面、斜坡、動靜摩擦力演示儀的制作[J].大學(xué)物理實驗，2008，21（4）：57-58.

[6]黃樹清，陳睿涵，周亞斌.”滑動摩擦力演示儀”教具的改進與創(chuàng)新[J].物理通報，2021（2）：74-75.

[7]劉萬慶.新型電動磁壓式摩擦力演示器[J].發(fā)明與創(chuàng)新（中學(xué)生），2020（11）：29.