摩擦力探究實驗儀

粱亦星

研究動機

生活中摩擦力隨處可見，但是在我們還沒有接觸物理學的時候，也許不會有人注意到它的存在，因為我們習以為?？匆娝屧诓莸厣蠞L動的足球停下，司空見慣兩件粗糙的物體相對運動發(fā)出難聽的摩擦聲……無法想象沒有摩擦力的世界有多么可怕，汽車、火車、自行車都將失靈，我們還能像現(xiàn)在一樣走路嗎？我們還能握住一個東西不使它掉下嗎？寫字的時候筆還能用嗎？

任何一樣東西只要存在，那么一定有它存在的道理。我們無法隨心所欲地控制摩擦力，但我們能尋找它的規(guī)律并巧妙地使它發(fā)揮最大的作用，因此，為了增加物理課堂教學的直觀性，我就打算設計一個能探究滑動摩擦力和靜摩擦力規(guī)律的儀器。

研究目的

在物理課堂進行摩擦力有關內容的教學時，常遇到學生看不清、理解不透的困擾。因此我希望能把最簡單的裝置改造成盡可能的多方面呈現(xiàn)摩擦力的大小和規(guī)律的實驗儀器，提高學生對摩擦力的認知。

摩擦力探究學習實驗儀具有如下功能。

◇探究接觸面的粗糙程度對摩擦力大小的影響；

◇探究接觸面的大小對摩擦力大小的影響；

◇探究物體所受的正壓力對摩擦力大小的影響；

◇探究物體的運動速度對摩擦力大小的影響。

裝置的組成

◇遙控器：遙控器中間接著一條導線用來發(fā)射信號，經過幾次測試，無線遙控器的遙控距離超過30米（見圖1）。

◇使用了藍牙技術，使實驗數(shù)據(jù)可以無線傳送到計算機，并將各種摩擦力大小轉換為相應的圖像，讓觀察者能更清晰地看到各種情況下摩擦力的變化情況，方便分析。

◇驅動裝置是可遙控的，由直流電機作動力源，并可以將電機的轉動轉換為平動（見圖2）。

◇力傳感器（見圖3）是實驗中最主要的部分。有了它，我們就能測量出各種下情況下的摩擦力大小，并且能清晰地了解摩擦力大小是否與實驗道具接觸面大小有關，是否與實驗道具所受壓力大小有關。是否與復合板滑行速度有關……。傳感器測量力的大小能精確到小數(shù)點后三位，對于較精準的計算起了很大的作用。同時傳感器有非常多的功能按鈕，如果沒有傳感器，實驗將缺少十分重要的測試數(shù)據(jù)。在整個實驗中，傳感器提供的數(shù)據(jù)也是我們研究摩擦力必不可少的重要因素，整個測量裝置見圖4。

研究方法

首先制作一個兩面平滑、兩面粗糙（砂紙面）的長方體木塊作研究對象。我們測量了當木塊與木板的接觸面大小不同、粗糙程度不同（有砂紙或無砂紙），木塊的質量、體積不變，運動速度不變的條件下摩擦力的大小。

經我們的觀察得出：在木塊物體靜止時，存在力阻止木塊移動，且這個力的大小與我們所施加的外力相等，這個力就是靜摩擦力，可見我們準確地測出了靜摩擦力。

反復測量并整理數(shù)據(jù)得到以下結論。

◇木塊恰好開始運動時，得到最大靜摩擦力，最大靜摩擦力比動摩擦力大，而動摩擦力為定值。

◇摩擦力的大小與兩物體間相對運動的速度和接觸面積無關，僅取決于接觸面的粗糙程度和物體所受正壓力的大小。

雖然許多東西看起來很光滑，但在顯微鏡下觀察，就會發(fā)現(xiàn)它們的表面凹凸不平。當兩件物體互相接觸時，物體表面凸起的部分，會卡住另一物體表面凹下的部分。如果這兩件物體之間發(fā)生滑動，它們表面上凹凸不平的地方就會互相拉扯，阻礙滑動。這時候，其中一物體表面作用于另一物體表面的力，就是摩擦力。

為什么摩擦力的大小與接觸面積無關，卻與物體間的壓力大小有關呢？

微觀下物體的表面總是很粗糙的，實際上兩物體并不會完全緊密地貼合。我們肉眼所見的接觸面積，其實是小于實際接觸的面積的。所以摩擦力的大小，與肉眼所見的接觸面積并無直接關系。不過，若物體間的壓力增加，便會增大兩物體間的實際接觸面積，令兩物體間的相互作用增加（相互作用力增加），使摩擦力增大。

市場前景

在物理課堂實驗中，有關摩擦力研究的實驗儀器精確度、可視效果不夠理想，本作品把傳感技術、電子技術和視頻技術等與傳統(tǒng)的實驗裝置有機組合，實驗精確度和視覺效果都較理想。倘若配合精美設計將更趨完美，實驗操作簡單方便。高性價比讓其市場前景廣闊。

該項目獲得第31屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

該項目制作了摩擦力實驗儀。選題內容新穎。概念清晰。對教學有重要的參考價值。具有很強的實用性。項目材料完整，展示問辯表現(xiàn)優(yōu)異。