摩擦力探究实验的创新设计

陆丰

摘 要：在定量探究“影响摩擦力大小因素”的实验中，存在“弹簧测力计的精度低、长木板的装置笨、接触面材料的改变不方便”等不足.用电子秤替代弹簧测力计，提高了测量精度;用传送带替代长木板，减小了仪器体积;用电动机代替手摇柄，使实验装置的性能更加稳定.双面胶容易更换接触面的材料，压块和定滑轮使电子秤的功能由测质量扩展到测摩擦力和动摩擦因数乃至能够判断电动小车前后轮所受摩擦力的方向.

关键词：摩擦力;探究实验;创新设计

文章编号：1008-4134（2019）14-0020中图分类号：G633.7文献标识码：B

生活中的摩擦力随处可见，学生对此兴趣很浓，以学生熟悉的电动自行车为例（如图1）：轮胎上刻有花纹、车轮做成圆形、塑料套紧套在把手上、转动部分添加润滑油、脚踏板凹凸不平、刹车时用力捏闸、车轴处装有滚珠、车的把手上有凹槽……，都是工程师们对摩擦力的巧妙应用.

为了进一步激发学生参与学习与研究的兴趣，就要进一步引导学生去挖掘摩擦力存在的意义与价值，我们虽然无法随心所欲地控制摩擦，但我们能寻找它的规律并巧妙地使它发挥最大的作用[1].笔者就利用课余时间，和学生们一起探索摩擦力，并引导学生开启摩擦力探究的创新实验，怎样探究摩擦力的规律呢？如何测量其大小？怎样判断其方向？其实验装置又如何设计？等等……

1 摩擦力大小的测量设计

1.1 传统的装置设计

（1）测量原理：传统的测量原理如图2所示，用弹簧测力计匀速拉动物块，与水平接触面发生相对滑动，弹簧测力计的示数就等于物块所受摩擦力的大小.其中的图A为初中物理教材上的插图，图B为改进后的实验装置.改进后的弹簧测力计与物块被固定在装置上.拉动长板，虽然物块和长板之间发生了相对滑动，但是弹簧测力计与物块保持静止，既避免了匀速拉木块的难度，又摆脱了弹簧测力计运动时的读数困难.

（2）装置实物：物块采用长方体木块，其平面、侧面、立面设置了能放置钩码的圆孔，可方便地改变受力面积，如图3所示.將不同个数的50g钩码置于木块上表面的圆孔中，能方便地改变压力的大小，实物如图4所示.改进后装置如图5所示.

（3）存在问题：图5装置虽解决了图4的不足，但还存在下列问题：①由于长板较长，该装置的整体显得比较庞大，随身携带不便;②该装置作为定性研究是可行的，但作为定量探究影响摩擦力大小的因素是有困难的.尤其是弹簧测力计的分度值较大，导致测得的精度较低.而且改变接触面的材料也不方便.凡此种种，必须对图5所示装置进行创新设计.

1.2 装置的创新设计

我们经历了下列三个层次的进阶过程：

（1）传送带代替长木板，减小装置长度：木块通过细线与固定在装置上的弹簧测力计相连，传送装置通过摇动用自来水管及其接口制成的摇柄使转轴转动，带动传送带在水平方向移动.传送带与静止的木块发生相对滑动，其实物装置如图6所示.装置的长度明显减小，能够随身携带.

（2）电子秤代替测力计，提高测量精度：该弹簧测力计的分度值为0.1N，精度较低.电子秤的精度为10-2g，转换为测力计后，其精度为10-4N，是弹簧测力计的1000倍，可以定量探究摩擦力的相关规律.其实物装置如图7所示.木块与传送带之间的摩擦力通过定滑轮、压块，传递到电子秤，显示屏可直接显示出摩擦力的大小.压块的作用扩大了电子秤的测量功能，能测量拉力.定滑轮的作用是改变力的方向，使水平方向的摩擦力转化为竖直方向的拉力.压块置于电子秤的秤盘上后清零，摇动手摇柄，显示屏的示数就是摩擦力的大小，再通过换算系数×10-2，单位为N.

（3）电动机代替手摇柄，变手动为电动：手动的操作不方便，装置的稳定性不够.因此对传送装置进行再创新，成为第三代产品，其实物如图8所示.为减小转轴的摩擦，采用轴承传动，电动机带减速装置，使传送带缓慢运动，增强了装置的稳定性.电动机的主轴通过皮带轮与传送装置的转轴相连.相比而言，电动型结构更优，体积更小，操作更易，性能更好，更适合于对摩擦力的定量探究.实现了真正意义上的装置创新[2].

2 摩擦力方向的判断设计

2.1 滑动摩擦力的方向判断

（1）设计原理：让牙刷与手面作相对运动，其运动方向或相对运动趋势的方向用箭头的指向表示，如图9所示.当牙刷有相对于手面向右（左）运动时，产生的摩擦就是滑动摩擦，牙刷毛发生形变的方向向左（右）.当牙刷相对于手有向右（左）运动的趋势时，产生的摩擦就是静摩擦，牙刷毛发生形变的方向也向左（右）.而牙刷毛发生形变的方向就是牙刷所受摩擦力的方向.由此可以得出：摩擦力的方向与物体相对运动的方向或相对运动的趋势方向相反.

（2）应用实例：我们用一个家用的普通毛刷与一个小马达连接起来，再用一个棉签或扇叶来调节它的运动速度，就创新成了一个无轮电动小车，其实物如图10所示.在控制棉签弯曲程度的基础上，闭合开关，电动小车就会作曲线运动，观察毛刷的形变方向，就能判断电动小车运动过程中所受摩擦力的方向是如何变化的.

2.2 车轮摩擦力的方向判断

（1）设计原理：将电动玩具小车A代表自行车或汽车，其装置模型如图11所示.红色轮子为主动轮，设置在后轮，并居中放在二个装有小轮子的长板B和C上.闭合小车开关，使其向右（前）运动，发现长板C也在向右（前）运动，而长板B却在向左（后）运动，说明长板B受到一个向左（后）的作用力，由于力的作用是相互的，主动轮受到一个向右（前）力的作用，这个力就是摩擦力，力的方向与该小车的运动方向相同，同理可知：小车A的前（从动）轮受到的摩擦力的方向向左（后）.即自行车的后轮受到摩擦力（静摩擦）的方向向前，与自行车运动的方向一致，这个摩擦力（静摩擦）才是使自行车前进的动力.前轮受到摩擦力（滚动摩擦）的方向向后，与自行车运动的方向相反，是阻力.

（2）应用实例：

图12是设计原理的实际应用照片，图甲为静止的电动小车A，放在二个能前后运动的长板B和C上.闭合开关，电动小车A向右运动的同时，发现长板B向左运动，长板C向右运动，如图乙所示.说明电动小车的左轮是主动轮，给长板B一個向左的作用力，长板B也反作用于左轮，左轮受到的摩擦力方向向右，使电动小车向右运动.该力方向与运动方向一致，是动力.同理可得：右轮受到的摩擦力方向向左，与运动方向相反，是阻力.

3 摩擦力影响因素的探究设计

3.1 设计实验

（1）实验准备：①分别按电子秤的开关键、归零键，将单位键置于g;②将木块置于秤盘的中间，读出电子秤的示数，即为木块的质量m0;③换算为传送带受到的压力F=m0g，其大小为显示屏示数的百分之一，单位为N;④将压块置于电子秤的秤盘上去皮归零;⑤将木块无孔之面平放于传送带上，细线通过定滑轮分别与压块和木块连接.闭合开关，电动机转动，使传送带与木块之间发生相对运动，读出此时电子秤的示数并单位换算.

（2）改变压力：分别往木块的小孔中增加1、2、3、4个50g的钩码，换算成压力.

（3）改变接触面积：分别将木块无孔侧放、无孔立放、有孔平放、有孔侧放，测量并记下电子秤示数.

（4）改变接触面粗糙程度：用双面胶分别将镜纸面、纸板面、塑料面、棉布面和水沙面粘贴在木块下表面，测量并记下电子秤示数.

3.2 收集数据

将测得数据换算后填入表1.

3.3 分析论证

由表中的数据不难看出：滑动摩擦力的大小与压力的大小有关，与物体接触面的粗糙程度有关，与接触面的大小无关.

3.4 画成图像

将表1中2、3二行的数据画成函数图像，如图13所示.

3.5 得出结论

同一接触面物体所受到的滑动摩擦力的大小与其所受压力的大小成正比，即f=μF.

3.6 拓展延伸

该图像的斜率就是动摩擦因素μ，它描述的是接触面阻碍物体运动的能力，动摩擦因素μ越大，其表面阻碍物体运动的能力就越强.由表中数据，再根据μ=f/F分别计算得镜纸面、木板面、纸板面、塑料面、棉布面、水沙面的动摩擦因数：μ镜=0.04;μ木=0.25;μ纸=0.32;μ塑=0.38;μ棉=0.44;μ沙=0.59.说明在上述6种接触面中，就阻碍物体运动的能力而言，沙纸面最强，其次分别是棉布面、塑料面、纸板面、木板面，镜纸面的阻碍能力最弱.其本质是接触面越粗糙，阻碍物体相对运动的能力越强，接触面越光滑，其阻碍物体相对运动的能力就越弱[3].

3.7 创新要点

摩擦力探究实验的创新设计与传统的实验相比，有下列创新点：

（1）思路新：本装置以压块作中介物，将拉力转化为压力，将电子秤测质量功能扩展到测拉力、摩擦力;

（2）精度高：精度为0.0001N，是弹簧测力计的1000倍，能定量探究摩擦力的影响因素;

（3）体积小：用传送带代替长木板，能缩小体积，可随身携带;

（4）测量快：利用电子秤的去皮功能，可以快速测量;

（5）操作易：利用木块内的圆孔，放置钩码，改变压力很方便.双面胶作接触面调换材料的中介物，改变粗糙程度也很容易;

（6）成本低：除电子秤、钩码外、其余都用废旧的小马达、三夹板、食品盒、塑料水管及其接口、尼龙搭扣、布、塑料等制作而成，成本低、容易加工;

（7）功能多：除了能测量质量和重力、摩擦力、弹力等外，还能计算出动摩擦因素和判断汽车前后轮摩擦力的方向.

参考文献：

[1]崔伟.电子式滑动摩擦力探究仪[J].教学与管理，2013（25）：75-77.

[2]吴淑花.影响滑动摩擦力因素的实验探究[J].物理教学，2010，32（05）：24-28.

[3]周爱忠.自制摩擦力实验仪[J].中国教育技术装备，2007（01）：24-25.