基于DISlab系統(tǒng)的摩擦力教學(xué)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與研究

王一超 徐佳林 鄭思怡 張譯丹 呼格吉樂(lè)

摘? 要：在我們的生活中，摩擦力處處存在而且起著十分重要的作用。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，摩擦力的分析一直是教學(xué)的難點(diǎn)，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，摩擦力的大小和方向只能借助作用效果來(lái)分析，會(huì)顯的十分抽象，不夠直觀，基于此問(wèn)題的思考，結(jié)合DISlab朗威實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制作出了一款摩擦力的測(cè)量?jī)x，可以較為直觀的展示摩擦力的方向和大小，有助于學(xué)生理解和學(xué)習(xí)摩擦力的相關(guān)知識(shí)。

關(guān)鍵詞：摩擦力;滑動(dòng)摩擦;力的傳遞;最大靜摩擦力;運(yùn)動(dòng)情況;DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：O4-33? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）16-0027-02

Abstract： In our life， friction exists everywhere and plays a very important role. In the actual teaching process， the analysis of friction has always been the difficulty of teaching. For students， the magnitude and direction of friction can only be analyzed with the help of the effect， which will be very abstract and not intuitive. Based on the thinking of this problem， combined with the DISlabLongway experimental system， a friction measuring instrument is made， which can directly show the direction and magnitude of friction and is helpful for students to understand and acquire the relevant knowledge of friction.

Keywords： friction; sliding friction; force transfer; maximum static friction; motion; DIS experimental system

常見(jiàn)的物體狀態(tài)有靜止和運(yùn)動(dòng)兩種，這兩種狀態(tài)都有可能存在摩擦力的作用，在此為了保證靜止和運(yùn)動(dòng)情況下可以直觀的顯示摩擦力的方向和大小，故在此設(shè)計(jì)此摩擦力測(cè)量?jī)x。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及裝置

本文利用朗威? DISLab、計(jì)算機(jī)、公模配件、m2螺栓螺母、配重砝碼、結(jié)構(gòu)件、底板、細(xì)線(xiàn)若干，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。在底座上有一個(gè)可以左右移動(dòng)的平臺(tái)上，平臺(tái)可以根據(jù)需要添加配重塊，平臺(tái)左右各添加了一塊擋板，可以和力的傳感器接觸（之間有小空隙，水平時(shí)不接觸），其中左邊的力傳感器代表摩擦力方向向右，右邊反之。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)

2.1 基本摩擦力的測(cè)量

物體放置于水平地面上時(shí)，給予其一水平推力，當(dāng)推力逐漸加大時(shí)，摩擦力也相應(yīng)的逐漸增大，直至增強(qiáng)到最大靜摩擦力后裝置開(kāi)始滑動(dòng)，靜摩擦力轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)摩擦力。摩擦力變化圖像應(yīng)當(dāng)如下：

其中F代表推力，f代表的是摩擦力的大小。

如圖所示，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)裝置的中間可移動(dòng)平臺(tái)上施加一個(gè)水平向左的推力，在推力的作用下，移動(dòng)平臺(tái)會(huì)向左邊水平移動(dòng)，左邊的擋板即會(huì)觸碰到左邊的力傳感器。此時(shí)二者的力大小一致方向相反，接觸后推力被傳遞到整個(gè)裝置的底板，力傳感器測(cè)到的數(shù)值大小等于推力的數(shù)值大小亦等于靜摩擦力的數(shù)值大小。

當(dāng)推力逐漸增大，一直超過(guò)最大靜摩擦力后，物體所受的摩擦力開(kāi)始演變成為滑動(dòng)摩擦力，即有物體開(kāi)始做加速的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)檔片對(duì)力傳感器和力對(duì)擋片的力同樣大小相同，方向相反，在此可視為裝置的內(nèi)力，在數(shù)值上仍等于物體與地面的摩擦力大小。由此我們可以依據(jù)此裝置，來(lái)測(cè)量物體在受到水平方向上力的作用時(shí)的摩擦力大小。

依據(jù)以上原理，正確連接后測(cè)量獲得圖像如圖4。

如圖所示：當(dāng)水平推力逐漸加大時(shí)，左側(cè)力傳感器數(shù)值變大，開(kāi)始逐漸上升，直到最大靜摩擦力后開(kāi)始下降到滑動(dòng)摩擦力的大小并保持不變，實(shí)驗(yàn)圖像曲線(xiàn)與理論圖像曲線(xiàn)基本吻合。

2.2 拓展測(cè)量

在教學(xué)過(guò)程中，我們經(jīng)常會(huì)遇到的另一種情況是摩擦力作為動(dòng)力輸出，如圖5所示：我們將裝置放置于一塊水平木板上，在水平木板上施加一個(gè)方向向左的拉力。

此時(shí)從整體來(lái)看，裝置會(huì)隨著木板一起向著左運(yùn)動(dòng)，但是實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的水平運(yùn)動(dòng)平臺(tái)會(huì)因?yàn)閼T性的作用，向右移動(dòng)導(dǎo)致右側(cè)擋片和力的傳感器接觸，使得傳感器有一個(gè)力的作用，依據(jù)牛頓第二定律我們可得：

按照上述實(shí)驗(yàn)要求，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后獲得實(shí)驗(yàn)圖像如圖6。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文所介紹的實(shí)驗(yàn)裝置，非常清楚的介紹一種摩擦力的測(cè)量裝置。同時(shí)分別介紹了兩種基本情況下的測(cè)量模式，本裝置可以非常直觀的表現(xiàn)出摩擦力的方向和大小，有助于中小學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)的摩擦力問(wèn)題時(shí)候加深理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]呼格吉樂(lè).改進(jìn)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的“彈簧振子的振動(dòng)圖像”實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010（05）.

[2]呼格吉樂(lè)，張曉英.試論設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型的研制[J].嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)，2007.

[3]沈建民，謝昱圣.初中科學(xué)課程創(chuàng)生案例初探[J].課程教學(xué)研究，2013（12）.

[4]施洪生，王慧，胡元中，等.彈性懸臂梁摩擦力測(cè)量機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（11）：1327-1330.

[5]范哲焱，陶曉峰，張銳波，等.機(jī)械式微動(dòng)斜面測(cè)量摩擦力系數(shù)實(shí)驗(yàn)理論探討[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2018，31（1）：6-8.

[6]代珍兵，董小慶，潘學(xué)軍，等.數(shù)字式滑動(dòng)摩擦力演示儀[J].物理教學(xué)探討：中學(xué)教學(xué)教研專(zhuān)輯，2011（10）：53-55.

[7]劉國(guó)瑞，張文堂.摩擦力規(guī)律探究?jī)x的制作[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2015，25（2）：31-32.

[8]沈軍.淺談使用DISlab進(jìn)行新教材摩擦力的實(shí)驗(yàn)[J].物理教師，2007，28（1）：32.