用DIS探究影响滑动摩擦力的因素

王劲存,仲扣庄

(南京师范大学物理科学与技术学院,江苏南京210046)

1 引 言

摩擦力是中学物理中的重要概念,相比之下,高中物理课程标准教科书上关于摩擦力的实验却很少,一般采用手拉弹簧测力计的方法.这种方法由于很难控制物体的匀速运动,所以仅能做定性的观测,无法进行定量研究.很多教师只是演示滑动摩擦力与接触面正压力的关系,而对与接触面积和相对运动速度的关系则不采用实验验证.如今许多中学都配备了DIS实验系统,笔者尝试通过DIS实验系统的力传感器和位移传感器,得出摩擦力变化的图像,来探究在正压力、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.

2 实验器材及原理

实验需要的器材有DIS实验系统、带小车的木板、滑块、砝码、铁架台等.

实验原理如图1,将力传感器固定在铁架台上,用绳子将木制滑块与力传感器相连.连接力传感器与滑块的绳子最好用金属丝,这样所得图像产生的波动较小.滑块下面放带长木板的小车,用手对小车施加水平拉力F.

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.由于滑块始终处于静止状态,根据二力平衡原理,力传感器示数等于滑块所受摩擦力的大小.

3 对摩擦力的定性观察

将实验仪器按图1所示连接,用手对木板施加水平拉力,力度由小而大,使木板相对滑块滑动后持续5 s左右.启动DIS绘图功能,可得到摩擦力随时间变化的图像(图2).

图1 探究影响滑动摩擦力的因素的实验装置

图2 摩擦力变化图像

从图2中可以看出,摩擦力先增大再减小到某一数值,然后基本保持不变.点击工具栏中的选择区域第3个图标(见图2圆圈处),选择图像中水平的一段,点击“图线分析”—“其他处理”—“平均值”按钮,可求得滑动摩擦力平均值(如图2).从图中可看到,物体所受的最大静摩擦力fm=1.0 N,滑动摩擦力Ff=0.840 N,fm>Ff.

4 探究滑动摩擦力与正压力的关系

先来探究在正压力FN变化时滑动摩擦力Ff的变化情况.因为滑块放在水平桌面上,故接触面之间的正压力等于滑块的重力.通过增减砝码改变滑块的重力,并用力传感器测出滑块的总重量.重复以上实验,在Excel中记录数据如表1所示.

表1 滑动摩擦力Ff与正压力FN的关系

启动Excel绘图功能,做出Ff-FN图像,并添加线性趋势线(图3所示).

图3 Ff-FN拟合图像

从图中可以看到,所得Ff-FN图线线性拟合程度很高.利用Correl函数,计算Ff与FN的线性相关系数r=0.998,说明滑动摩擦力的大小在误差允许范围内与正压力大小成正比.

5 探究滑动摩擦力与接触面积的关系

为了保证接触面性质和平放时相同,在滑块侧面贴上同样的白纸.分别用底面和2个侧面作为摩擦面(此时应注意调节力传感器的高度,使绳子保持水平),获得数据如表2所示.

从表2中可以看出,在接触面积有较大变化时,滑动摩擦力大小基本保持不变,说明滑动摩擦力大小与接触面积无关.

表2 滑动摩擦力Ff与接触面积S的关系

6 探究滑动摩擦力与接触面性质的关系

将滑块平放,分别在光滑的白纸、报纸和棉布上面进行实验,获得数据如表3所示.

表3 滑动摩擦力与接触面性质的关系

从表3中可以看出,相同条件下白纸、报纸、棉布所对应的滑动摩擦力依次变大,即证明了滑动摩擦力的大小与接触面的性质有关.

7 滑动摩擦力与速度的关系

最后探究滑动摩擦力与接触面相对运动速度的关系.由于匀速运动的位移-时间图像为倾斜的直线;反之,如果物体运动的位移图像为曲线,则说明物体做变速运动.因此可以用位移传感器记录滑块的位移图像,通过位移图像来研究物体运动的速度.将位移传感器发射端固定在木板上,将位移传感器接收端固定在铁架台上,使其与发射端保持正对.用手拉木板,使木板速度由慢到快.同时得到位移传感器记录下的位移图像与力传感器记录下的拉力图像,如图4所示.

图4 位移传感器与力传感器记录的图像

由滑块运动后的位移图像为曲线可以看出,木板和滑块相对滑动速度逐渐变大,而由力的图像可以看出滑动摩擦力大小基本保持不变,从而验证了滑动摩擦力大小与接触面相对速度无关.

8 结束语

用DIS探究影响摩擦力的因素实验中,采用了固定滑块而使木板相对滑动的方法,避免了直接拉滑块时速度变化造成的误差.采用控制变量法定量地验证滑动摩擦力与正压力、接触面积、接触面相对速度的关系.实验过程简单明了,效果明显.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.

[1] 沈军.浅谈使用DISlab进行新教材摩擦力的实验[J].物理教师,2007,28(1):32.

[2] 朱启洋,仲扣庄.物理实验数据处理方法探究[J].中学物理教学参考,2006,(12):23-25.

[3] 邹方云.用力学传感器对摩擦力进行的实验研究[J].教学仪器与实验,2007,23(1):15-17.

[4] 刘诚杰.摩擦力的实验研究与设计[J].物理实验,2005,25(3):27-28.

[5] 朱梁权.利用DIS传感器研究通断电自感现象[J].物理实验,2009,29(1):27-29.

[6] 陶震英.水平方向简谐振动的DIS实验[J].物理实验,2009,29(9):26-28.