基于動摩擦因數(shù)探究的滑動摩擦力實驗優(yōu)化

摘 要：探究摩擦力與壓力大小關(guān)系是高中物理的重要內(nèi)容，在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)多次測量的動摩擦因數(shù)整體呈減小的趨勢，導(dǎo)致實驗測量誤差較大。文章利用DIS實驗深入探究接觸面材料、摩擦次數(shù)、正壓力大小對動摩擦因數(shù)變化的影響，分析動摩擦因數(shù)減小的原因。并基于實驗研究結(jié)果進一步提出實驗優(yōu)化策略，減少了實驗誤差，達到提升教學(xué)效果的目標。

關(guān)鍵詞：動摩擦因數(shù);摩擦次數(shù);正壓力;實驗優(yōu)化

1 問題的提出

摩擦是最普遍的自然現(xiàn)象之一，也是高中力學(xué)教學(xué)的重難點之一，為后續(xù)牛頓運動定律、物體的平衡、能量等相關(guān)內(nèi)容奠定了基礎(chǔ)?；瑒幽Σ亮嶒炇潜刈龅臏y定性實驗，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力有良好的導(dǎo)向作用。教材中“探究摩擦力與壓力大小關(guān)系”的實驗裝置如圖1所示[ 1 ]，實驗固定彈簧測力計，緩慢拉動長木板，根據(jù)二力平衡，彈簧測力計示數(shù)即木塊所受滑動摩擦力的大小，實驗采取控制變量法探究滑動摩擦力與正壓力之間的關(guān)系。該實驗方案存在數(shù)據(jù)誤差較大的問題，為了提高測量的精確度，有研究者做出了改進，例如借助定滑輪將測力計豎直放置[ 2 ]，或用DIS力傳感器代替彈簧測力計[ 3 ]，以及利用傳送帶使物塊相對接觸面運動速度穩(wěn)定[ 4 ]。這些方案主要集中在測量的改進與創(chuàng)新上，忽略了動摩擦因數(shù)本身在實驗中的變化。事實上在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，多次測量的動摩擦因數(shù)整體呈減小的趨勢。從實驗條件考慮其可能原因，材料不同其表面粗糙程度隨摩擦次數(shù)改變的難易不同，且多次測量時摩擦次數(shù)和正壓力大小是變化的，因此猜想動摩擦因數(shù)的減小與接觸面材料、摩擦次數(shù)、正壓力大小存在關(guān)聯(lián)。教學(xué)中希望通過實驗數(shù)據(jù)得出“動摩擦因數(shù)在誤差允許范圍內(nèi)不變，動摩擦力與正壓力成正比”的實驗結(jié)論，為了提高實驗成功率要規(guī)避讓動摩擦因數(shù)改變的因素。本文利用DIS實驗系統(tǒng)從接觸面材料，摩擦次數(shù)，正壓力大小三個方面探究其對動摩擦因數(shù)的影響，并基于研究結(jié)果進一步提出實驗優(yōu)化方案。

2 實驗探究動摩擦因數(shù)變化原因

為了更貼近滑動摩擦力的常規(guī)實驗，實驗借鑒教材中的測量方法，采用力傳感器代替彈簧測力計測量滑動摩擦力的大小，緩慢勻速拉動木塊底下的木板進行實驗，除了木板還提供了兩種常見接觸面材料牛皮紙和毛巾。實驗裝置如圖2所示，主要由力傳感器、鐵架臺、木塊、砝碼、牛皮紙、毛巾、長木板等組成。實驗從材料的選擇、實驗次數(shù)、正壓力大小三個方面入手，對實驗過程中動摩擦因數(shù)減小的問題進行數(shù)據(jù)研究。

2.1 常用材料的動摩擦因數(shù)對比

如表1所示，對比三種不同材料多次測量的動摩擦因數(shù)，毛巾的動摩擦因數(shù)平均值最大，大小為0.8359，而牛皮紙的動摩擦因數(shù)平均值最小，大小為0.3120。如圖3所示，毛巾的動摩擦因數(shù)波動最為明顯，且整體來看隨摩擦次數(shù)的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，牛皮紙和木板的動摩擦因數(shù)波動較小。如圖4所示，對比這三種常用材料動摩擦因數(shù)的標準偏差可知，牛皮紙的動摩擦因數(shù)標準偏差比木板的動摩擦因數(shù)標準偏差小。因此，三種材料中牛皮紙的動摩擦因數(shù)隨測量次數(shù)的變化最小。動摩擦因數(shù)與物體表面的粗糙程度有關(guān)，隨著摩擦次數(shù)的增加表面粗糙程度不容易改變的材料更適合用于摩擦力與壓力關(guān)系探究實驗，因此相比于教材中選用的木板來說采用牛皮紙進行實驗更容易得到穩(wěn)定的實驗數(shù)據(jù)，接下來的實驗研究也選用牛皮紙來進行。

2.2 摩擦次數(shù)對動摩擦因數(shù)的影響

隨機選擇一張牛皮紙摩擦100次并測量滑動摩擦力，計算其動摩擦因數(shù)。以每10次摩擦測量的動摩擦因數(shù)為一組數(shù)據(jù)，并分別計算各組的動摩擦因數(shù)平均值及其標準偏差，數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。為了更清晰地觀察動摩擦因數(shù)隨摩擦次數(shù)的變化趨勢，以動摩擦因數(shù)為縱坐標，摩擦次數(shù)為橫坐標繪制散點圖5;為了更直觀地對比動摩擦因數(shù)的波動程度隨牛皮紙摩擦次數(shù)的變化，將10組動摩擦因數(shù)標準偏差變化情況繪制在圖6。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以看出隨著摩擦次數(shù)的增加，動摩擦因數(shù)由0.3162變?yōu)?.2564，前后差異達到19%，實驗數(shù)據(jù)變化較大，不容忽視。如圖5所示，牛皮紙的動摩擦因數(shù)隨摩擦次數(shù)的增加整體呈減小趨勢，最后在摩擦次數(shù)大于50次之后趨于穩(wěn)定。如圖6所示，對比10組動摩擦因數(shù)的標準偏差可知，其整體上呈現(xiàn)出減小的趨勢，到第7組數(shù)據(jù)后標準偏差變化趨緩。對比第一組和第七組數(shù)據(jù)，第七組時牛皮紙已經(jīng)摩擦過60次了，與第一組全新牛皮紙相比其標準偏差明顯變小。由此可見，動摩擦因數(shù)會受到摩擦次數(shù)影響出現(xiàn)減小的趨勢，當摩擦到一定次數(shù)時，動摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性增強。究其原因，動摩擦因數(shù)與接觸面粗糙程度有關(guān)，經(jīng)過多次摩擦后牛皮紙表面發(fā)生磨損而變得更加光滑，因此動摩擦因數(shù)隨之減小;當摩擦到一定次數(shù)時，繼續(xù)摩擦牛皮紙其表面粗糙程度變化較小，動摩擦因數(shù)數(shù)值就趨于穩(wěn)定。因此在教學(xué)中可事先對牛皮紙進行多次摩擦后再用于摩擦力與壓力關(guān)系探究實驗，這樣能夠得到偏差更小的實驗數(shù)據(jù)。

2.3 正壓力對動摩擦因數(shù)的影響

以多次摩擦后的牛皮紙為接觸面，為了減小隨機誤差每次測量記錄5組數(shù)據(jù)，在木塊上依次增加50 g砝碼，記錄正壓力大小并計算動摩擦因數(shù)和平均值，測量結(jié)果如表3所示。為了更直觀地觀察不同壓力下動摩擦因數(shù)與壓力關(guān)系，以平均動摩擦因數(shù)為縱坐標，壓力為橫坐標繪制散點圖7。

根據(jù)數(shù)據(jù)表3可以看出隨著壓力的增大，牛皮紙的動摩擦因數(shù)平均值在0.2547到0.2098之間變化，差異達到18%。如圖7所示，牛皮紙的動摩擦因數(shù)隨著正壓力的增加整體呈減小趨勢，當壓力大于4 N左右時，動摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，在0.2120左右輕微浮動，由此可見牛皮紙的動摩擦因數(shù)與正壓力的大小存在相關(guān)性。

在保持接觸面材料及接觸面情況（如粗糙、干濕度）不變的情況下，根據(jù)古典庫侖摩擦定律，滑動摩擦力與正壓力的大小成正比，人教版教材還指出μ是比例常數(shù)。那么在上述實驗中正壓力增大的情況下，動摩擦因數(shù)為何呈現(xiàn)出減小趨勢？事實上，中學(xué)物理教學(xué)中的f=μN只是一個經(jīng)驗公式。根據(jù)現(xiàn)代摩擦理論，宏觀上光滑平整的接觸面在微觀上是由許多不規(guī)則的微凸峰和凹谷組成，摩擦總是發(fā)生一部分接觸峰點上，所以實際接觸面積遠遠小于表觀接觸面積，且與表觀接觸面積無關(guān)[ 5 ]。當壓力增大時，接觸點的尺寸、數(shù)目增加，實際接觸面積增大，而滑動摩擦力的大小主要取決于實際接觸面積的大小。牛皮紙和木塊作為聚合物材料，其實際接觸面積并不與正壓力正比[ 6 ]，而是比正壓力增加慢一些，隨著壓力的增大動摩擦因數(shù)是減小的。起初壓力增大，實際接觸面積和摩擦力增加較快，此時動摩擦因數(shù)較大。隨著正壓力增大，實際接觸面積和摩擦力變化趨緩，此時動摩擦因數(shù)變化減少且摩擦因數(shù)也較小。所以在進行實驗時，可以適當增大正壓力從而盡量規(guī)避動摩擦因數(shù)的減小趨勢。

3 實驗優(yōu)化策略

從探究動摩擦因數(shù)減小原因的三個實驗研究發(fā)現(xiàn)，動摩擦因數(shù)的改變與接觸面材料、摩擦次數(shù)、正壓力存在相關(guān)性。動摩擦因數(shù)會隨著摩擦次數(shù)和正壓力的增加而減小，接觸面材料不同其減小幅度也有差別。事實上影響動摩擦因數(shù)大小的因素還有很多，包括溫度、濕度、速度等等。但中學(xué)階段的教學(xué)只考慮比較理想的摩擦情況，得出“滑動摩擦力與正壓力成正比”的實驗結(jié)論，動摩擦因數(shù)通常也只考慮與接觸面材料和粗糙程度有關(guān)。為了優(yōu)化教學(xué)實驗中多次測量動摩擦因數(shù)呈現(xiàn)出減小趨勢的問題，可以對接觸面材料進行選擇，優(yōu)化一些操作細節(jié)，減小實驗過程中動摩擦因數(shù)的變化，提高實驗的成功率。筆者基于上述實驗研究結(jié)果提出三個方面的實驗優(yōu)化策略。首先在接觸面材料的選擇上，推薦采用動摩擦因數(shù)比較穩(wěn)定的材料作為接觸面，例如可以選用牛皮紙代替教材中的木板，牛皮紙表面的粗糙程度隨摩擦次數(shù)增加變化較小，因此動摩擦因數(shù)也穩(wěn)定;另外為了進一步規(guī)避接觸面的動摩擦因數(shù)隨摩擦次數(shù)增加而減小的情況，可以選擇已多次摩擦過的接觸面，例如在實驗準備階段可以將牛皮紙事先摩擦50次以上再進行實驗;最后在實驗時可以通過增加物塊的重量來增大正壓力的大小，例如將木塊換成更重的鐵塊、或者在木塊上加砝碼來增大其初始重量，從而使動摩擦因數(shù)測量結(jié)果變化較小。本文提出的實驗優(yōu)化策略，能夠解決實驗過程中動摩擦因數(shù)變化的問題，改進和優(yōu)化了教材中所提供方案在接觸面材料和操作細節(jié)上的一些不足之外，相較于依賴DIS實驗設(shè)備的實驗改進方案，或者增加傳送帶系統(tǒng)改良實驗裝置的方案，沒有增加器材準備方面的額外負擔(dān)。在延用傳統(tǒng)實驗裝置的基礎(chǔ)上也能做到測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，減小了實驗誤差，獲得理想的教學(xué)效果。

4 結(jié)語

直到今天關(guān)于滑動摩擦及動摩擦因數(shù)的研究還處于一個不斷發(fā)展和完善的階段，很多問題尚待解決。在滑動摩擦力的探究實驗中，教師可以通過教學(xué)環(huán)境下實驗細節(jié)的一些優(yōu)化，得到更具說服力的實驗結(jié)果，當實驗結(jié)果與教材的結(jié)論出現(xiàn)偏差時，可以引導(dǎo)學(xué)生利用近現(xiàn)代物理學(xué)的觀點解釋一些教材無法解釋的現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生探索未知科學(xué)、追求真理的好奇心，落實立德樹人的根本任務(wù)。。

參考文獻：

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