摩擦力实验研究及启示

李天宇

摘要：在高中物理的学习中，摩擦力知识是主要的学习难点之一，由于摩擦力问题具有较高的复杂性，并且相关概念十分抽象，需要借助实验来完成这部分知识的学习。因此，我们需要对学习过程中应用的摩擦力实验进行研究，以期通过这些实验带来一些启示。本文将对高中物理学习中的摩擦力实验进行研究，探讨这些实验对我们的启示。

关键词：高中物理;摩擦力;实验研究

1引言

在高中物理知识中，摩擦力知识的学习具有一定的难度，是学习中的重点内容。摩擦力是最常见的物理现象，在对这种现象进行研究的过程中，实验发挥着十分重要的作用。通过摩擦力实验，我们能够揭示出摩擦力的本质，同时锻炼了我们自己的动手能力，对我们学好这部分知识有很大的帮助，因此，我们需要对摩擦力实验进行研究。

2摩擦力实验中存在的问题

在对影响滑动摩擦力大小的因素进行研究的过程中，我们可以通过以下实验完成研究：

使用上图中的实验装置进行实验，使用弹簧测力计将木块匀速拉动，保证木块能够沿着长模板滑动，这样能够使用弹簧测力计检测出木块与长木板之间的滑动摩擦力。在完成这些操作后，继续以下操作，第一，在木块上放置砝码，增加木块对长模板的压力，其他条件保持不变，再进行实验。第二，在长木板表面铺上毛巾或棉布等材料，改变木块与长模板之间接触面的粗糙度，其他条件保持不变，再进行实验。

通过这个实验，我们可以验证影响滑动摩擦力大小的因素。但是，在这个实验中，存在以下问题：首先，即使将木块与长木板的接触面使用砂纸打磨光滑，并且保证粗糙度均匀，想要保证实验中木块发生匀速直线运动的难度也很大。其次，在木块的运动过程中，想要准确的读取弹簧测力计度数的难度较大。再次，通过弹簧测力计拉动木块，想要保证拉动过程中木块始终保持水平的难度较大。

为了解决以上实验中存在的问题，我们可以通过以下实验对影响滑动摩擦力大小的因素进行研究：

使用上图中的实验装置进行实验，将长模板调整为水平状态，向砝码盘中不断增加砝码，每加一次砝码都要用手推以下木块，直到木块能够在长木板上匀速运动，这是砝码盘内砝码的质量就是木块与长模板之间滑动摩擦力的大小。通过这个实验对影响滑动摩擦力大小的因素进行研究，能够保证木块与长木板之间发生匀速运动，读取摩擦力大小的难度也大幅度降低，并且能够保持木块在运动过程中处于水平状态。但是，这种实验方法的调节过程过于繁琐，想要寻找到合适的砝码组合使木块发生匀速运动的也有一定的难度，需要耗费大量的时间。

3摩擦力实验的优化

在高中物理教材中，摩擦力实验室的设计依据是二力平衡原理，如果木块保持匀速直线运动，其在水平方向上受到的拉力将与其摩擦力保持平衡，可以通过检测拉力来确定摩擦力的大小。在这个过程中，二力平衡是一种动态平衡，通过运动平衡判断力的平衡，但是通过手和眼判断运动平衡会存在一定的误差，进而造成实验结果存在误差。因此，我们可以对实验进行以下优化：使用电机代替手，拉动木块，使其发生匀速直线运动。在实验过程中，使用小型电机来拉动木块，由于电机的转速相对稳定，在短时间内可以将木块的运动看做为匀速运动，在匀速运动中，木块处于二力平衡状态，可以通过弹簧测力计的读数确定摩擦力的大小。

使用上图中的实验装置进行实验，将小型电机固定的木块内，将一根绳子系在电机轴上，绳子的另一端则系在弹簧测力计的挂钩上，将弹簧测力计水平放置，固定好另一端，为小型电机通电后，木块就会向右运动，这时我们可以读取弹簧测力计的读数。

在这个实验中，能够避免因使用手拉动木块而造成的木块无法匀速运动的问题，并且可以保证弹簧测力计处于静止状态，减少了我们在肉眼读数过程中存在的误差，是对教材中摩擦力实验的进一步优化，能够使实验结果更加准确，我们可以通过准确的结果摩擦力的产生以及性质产生更加深刻的认识。

4数字化实验系统的应用

在通过实验对摩擦力问题进行研究的过程中，我们可以应用数字化实验系统，为研究过程提供更好的支持。数字化实验系统主要由力学传感器、数据采集器、计算机以及系统软件组成，在使用这种实验系统后，能够简化实验操作的过程，使实验更加容易实现，并且可以在实验过程中收集大量的实验数据，并利用这些数据做出相应的图线，对实验过程中摩擦力的变化情况进行全程跟踪。还能够实现图线拟合，给出需要的变化规律数学表达式。

使用上图中的实验装置进行实验，用手拉模板，并逐渐增加拉力大小，在这个过程中，数字化实验系统可以对整个过程进行同步处理，输出以下实验结果：

上图输出的实验结果是摩擦力随时间变化的图线，能够反映出整个实验过程中摩擦力的变化情况。其中对摩擦力的描述可以分为三个阶段：第一，摩擦力增大阶段。在这个阶段中，摩擦力从零开始不断增加，直至最大值。第二，摩擦力减小阶段。在这个阶段中，摩擦力由最大值迅速减小。第三，摩擦力保持阶段。在这个阶段中，摩擦力基本保持不变，图线有纹波出现。在这个过程中，我们可以看出，最大静摩擦力大于滑动摩擦力，在由最大静摩擦力向滑动摩擦力转变的过程中，摩擦力的变化是快速的、连续的，并且滑动摩擦力在滑动的过程中并不是恒定不变的，而是会出现小幅度的变化，但是这种幅度的变化无法通过弹簧测力计或肉眼识别到。

通过这些实验结果，我们能够对摩擦力的产生与变化过程产生更加清晰的认识，建立完整的图景，由于滑动摩擦力的纹波与物体表面的凹凸形状相似，因此，我们能够将摩擦力的产生原因与摩擦力的性质就能够轻易的联系起来，形成更加清晰的摩擦力知识结构。此外，通过数字化实验系统描绘出的摩擦力变化过程能够与摩擦的凹凸啮合学说取得一致。

凹凸啮合学说是一种解释摩擦力本质的学说，在这个学说中，将摩擦力的本质解释为：摩擦力的产生是由于互相接触的物体表面粗糙不平，在发生接触挤压时，接触面上的凹凸部分发生互相啮合，产生阻碍运动的力。在这个过程中，挤压的压力越大，啮合就会越紧，摩擦力也就越大。为了使物体能够运动，必须有外力客服这些啮合产生的力，需要的最小外力就等于最大静摩擦力。在物体运动后，其重心会高于静止状态，接触面的啮合程度就会减小，产生的摩擦力也就会随之减小，因此，滑动摩擦力略小于最大靜摩擦力。与此同时，虽然接触面的粗糙度基本相同，但仍然存在不一致的现象，因此，滑动摩擦力会出现波动的现象，并不是一直处于不变的状态。

5结束语

总而言之，在高中物理的学习过程中，摩擦力问题的难度较高，需要通过实验的方式对其进行深入的研究，确保我们能够更加清晰的理解摩擦力的原理与性质。因此，为了提高学习效率，我们必须采用最适合的实验方式，确保其在学习过程中发挥重要作用，降低摩擦力知识的学习难度，能够有效的提高学习效率，促进学习成绩的提升。

参考文献

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（作者单位：河南省商丘市第一高级中学）