DIS系统在摩擦力探究实验中的应用

焦 飞

(渭南高级中学 陕西 渭南 714000)

1 引言

摩擦力是中学物理中的重要概念，而高中物理教科书上关于摩擦力的实验却不多，基本是定性研究，一般采用手拉弹簧测力计的方法.此方法由于很难控制物体匀速运动，且不易观察，无法进行定量研究.由于摩擦力问题的复杂性，在具体问题中又表现出动中有静，静中有动，尤其静摩擦力在许多情形下似乎又是若有若无，大小方向不定，对于高一学生来说着实不易理解.相比传统的实验手段，数字化实验系统(DIS) 结合力传感器在摩擦力实验研究上有着明显的优势，笔者尝试通过DIS实验系统与相关器材的合理组装，实验得出摩擦力变化的图像，探究了在正压力、接触面积、接触面性质变化以及物体间相对运动速度变化时滑动摩擦力的变化情况.使学生对静摩擦力的大小变化和最大静摩擦力与滑动摩擦力关系获得形象、直观的动态体验，弥补了传统课堂实验中的不足.

2 实验器材

数字化实验系统 (Digital Information System，DIS) ,滑动摩擦力演示仪,铁架台,带轮子的木板,滑块(100 g),钩码(50 g)6个,传感器,滑石粉,毛巾,电脑.

3 滑动摩擦力的探究实验

一个物体在另一个物体表面上相对滑动时，要受到另一个物体阻碍它相对滑动的力，称为滑动摩擦力.通过改变正压力、接触面面积、接触面性质以及相对运动速度探究影响滑动摩擦力的因素.

3.1 实验原理

实验安装如图1，将力传感器固定在铁架台上，用绳子将木滑块与力传感器相连.滑块放在滑动摩擦力演示器的皮带上，通过皮带的转动使木滑块与皮带发生相对运动.滑块在水平方向上受到2个力的作用，力传感器的拉力和木板的摩擦力.由于皮带匀速运动，滑块始终处于平衡状态.根据二力平衡原理，力传感器示数等于滑块所受滑动摩擦力的大小.

图1 探究滑动摩擦力实验装置

3.2 实验步骤

(1)按图1安装好实验装置.

(2)将滑块放在皮带上，打开摩擦力演示器，使皮带以一定的速度转动.通过传感器用DIS系统绘制木块所受摩擦力变化的图像，在7.0 s时放上2个钩码，13.0 s时再增加2个钩码以改变滑块滑动时的正压力大小.绘制摩擦力大小随时间变化的图像,如图2(a).

(3)上述装置不变的情况下，滑块滑动过程中，在6.0 s时给转动的皮带上面均匀地撒上滑石粉，以改变接触面的粗糙程度，绘制摩擦力大小随时间变化的图像.绘制的图像如图2(b).

(4)再次消除数据，并重新绘制图像，此过程中分别在8.0 s和12.0 s时改变速度档位加快皮带的转速.绘制的图像如图2(c).

图2 不同因素下滑动摩擦力的大小

3.3 实验分析

(1)由图2(a)可知，当接触面的粗糙程度和皮带转速一定的情况下，木块对皮带的正压力不变,滑动摩擦力就不变;受到正压力变大，滑动摩擦力变大.实验中正压力与摩擦力具体数据如表1，由表中数据可得到图2(d).图2(d)表明物体所受滑动摩擦力的大小与正压力大小成正比(实验误差范围内).由实验结果可以计算木滑块与橡胶皮带间的摩擦因数为0.7.

(2)由图2(b)可得，当物体对皮带的正压力和皮带转速一定的情况下，接触面越光滑，木块所受到的滑动摩擦力越小.滑动摩擦力的大小与接触面的性质μ(摩擦因数)有关.

表1 正压力与滑动摩擦力的关系(g=9.8 m/s2)

(3)由图2(c)可得，当物体对皮带的正压力和接触面的粗糙程度一定时，皮带的转速变化对滑块所受滑动摩擦力大小基本没有影响.

4 静摩擦力的探究实验

物体间有相对滑动趋势时产生的摩擦力叫做静摩擦力.现通过实验探究决定静摩擦力大小的因素和影响最大静摩擦力的因素.

4.1 实验原理

实验装置如图3，将力传感器固定在铁架台上，用绳子将木滑块与力传感器相连.滑块放在带轮子的木板上，用手对木板施加水平拉力.在增大拉力过程中保持滑块与木板相对静止，滑块在水平方向上受到2个力的作用,力传感器的拉力和木板的摩擦力，滑块相对木板静止为静摩擦力.根据二力平衡原理, 力传感器示数等于滑块所受静摩擦力的大小.静摩擦力的最大值对应最大静摩擦力.

图3 探究静摩擦力实验装置

4.2 实验步骤

(1)如图3安装好装置.

(2)用细线拉住上面放有4个钩码的滑块，缓慢用力拉动小车至其开始运动，观察通过传感器显示在电脑上的摩擦力大小变化图像，如图4(a).

(3)上述过程不变,在滑块上放6个钩码，观察通过传感器显示在电脑上的摩擦力大小变化图像，如图4(b).

(4)在步骤2中，将滑块放在铺有毛巾的带轮木板上，缓慢用力拉木板至其开始运动，观察通过传感器显示在电脑上的摩擦力大小变化图像，如图4(c).

(5)通过传感器拉动滑块过程中，改变滑块与木板接触面积的大小，测得最大静摩擦力大小相等，可以知道最大摩擦力的大小与物体接触面积的大小无关.图4(a)、图4(d)分别保持正压力、接触面性质不变，使滑块宽面、窄面不同方式放置时得到的摩擦力变化图像.

(a) 滑块上放两个钩码宽面向下

(b)滑块上放四个钩码

(c) 板上平铺毛巾

(d)滑块窄面向下

4.3 实验分析及结论

(1)在上述实验过程中，缓慢、均匀增大拉力，拉动小车至其开始运动，在滑块与木板未发生相对滑动前，滑块受到木板的静摩擦力.根据二力平衡原理滑块受到木板的静摩擦力与传感器对滑块的拉力大小相等，方向相反.通过DIS系统在电脑上将静摩擦力的大小变化显示出来.从图4各个图中可以观察到，静摩擦力大小随拉力的增大而增大，说明静摩擦力是“被动力”.

(2)当拉力增大，静摩擦力也随着增大的过程中，静摩擦力的增大是有一定限度的，它的最大值就是最大静摩擦力.图4(a)、图4(b)中滑块的最大静摩擦力分别为1.50 N，1.87 N.说明正压力越大最大静摩擦力越大.图4(c)中滑块的最大静摩擦力为3.2 N,与图4(a)相比，说明接触面越粗糙最大静摩擦力越大.图4(d)是滑块窄面向下的最大静摩擦力为1.52 N，与图4(a)基本相等,可知接触面的大小对其没有影响.

5 最大静摩擦力与滑动摩擦力的关系

从实验中所得图像可以观察到当滑块与木板发生相对运动时，即摩擦力由静摩擦力转变为滑动摩擦力的瞬间摩擦力大小明显变小.由此可以得到最大静摩擦力明显大于同条件下的滑动摩擦力(在习题处理中经常近似认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力).

6 实验评价

利用DIS系统与滑动摩擦力演示仪等相关器材合理组装进行实验，使学生清楚地观察和亲身感受到影响摩擦力的各种因素，加深对公式f滑=μFN的理解，使以往难以直观显现的拉动物体克服最大摩擦力时拉力值的动态变化过程得到体现.这有利于学生深刻理解“滑动摩擦力与最大摩擦力之间的关系”，可以增强学生的探究意识, 巩固和加深对摩擦力特点的认识.

实验过程用电脑绘制并处理的图中摩擦力大小上下微小波动，主要是因为皮带转动过程或木板移动过程中滑块在皮带或木板上不稳定和接触面性质不是绝对均匀造成的误差.

参考文献

1 束炳如,何润伟.普通高中课程标准实验教科书物理Ⅰ(必修)(第3版).上海:上海科技教育出版社,2009.72～750