“测定动摩擦因数”实验的设计与开发

王晓冬

一、实验设计如何进行

1.依据实验目的，确定实验的理论依据

本实验目的是测量动摩擦因数，实验的理论依据为滑动摩擦力公式，其中f为滑动摩擦力，μ为动摩擦因数，为两物体间正压力.

2.依据实验理论依据，确定所要测量的物理量

根据，要测量动摩擦因数，只要测量滑动摩擦力f及两物体间正压力即可.

3.确定实验的原理

摩擦力的测量，原理主要是根据平衡法，即使物体受到的摩擦力与拉力平衡，对拉力进行测量.

4.制定实验方案，尝试选择实验方法及所需要的装置与器材，对方案进行反思修正.

方案1 运用弹簧秤测压力与滑动摩擦力（以测量书与桌面间动摩擦因数为例）

实验器材：弹簧秤、书.

实验操作：把书放在桌子上，水平拉弹簧秤，使书做匀速运动，读出弹簧秤示数F1.再用弹簧秤书吊起来，当书静止不动的时候，读出弹簧秤示数F2.

实验数据处理：

反思与改进：本实验原理简单，实验过程清晰，但误差较大，主要原因为书是否在做匀速直线运动很难确定.可进行如下改进：书上粘上一条纸带，让纸带穿过书后面的打点计时器，根据纸带打点是否均匀来确定书是否做匀速运动.

方案2 通过测量长度来测量压力与动摩擦力（以测量木块与木板间动摩擦因数为例）

实验器材：木块、木板、垫木、刻度尺

实验操作：将垫木搁置在木板下面组成一个斜面，移动垫木的位置，改变木板的倾角α，直到轻推木块，木块能沿斜面匀速运动，测量此时斜面高度h及在斜面水平面上投影的长度f.

实验数据处理：

反思与改进：该方案取材方便，贴近生活，一把刻度尺就可以测定动摩擦因数.但与方案1相似，目测木块是否做匀速运动带来的误差也较大.改进的方法类似于方案1，也可以用光电门来判断物体是否匀速运动，即在木块上固定一遮光条，在斜面上不同的位置固定两光电门，调整斜面倾角，直到木块通过两光电门时间相等即可.

方案3 用力传感器测量动摩擦力大小（以测量木块与木板间动摩擦因数为例）

实验器材：传感器和需要的相关软件、电脑、木块、绳子、长木板、砝码、天平.

实验操作：将实验器材按图2连接好，将传感器与电脑相连，手缓慢向右拉木板，直到木板运动.电脑采集信号后，由配套软件自动生成摩擦力随时间变化的图象（图3所示）.用天平测出砝码和木块的总质量m.

实验数据处理：由于木块与砝码始终是不动的，传感器对它们的拉力与板对木块摩擦力平衡，因此传感器显示的力等于摩擦力.图象中，能看出摩擦力的变化过程，即摩擦力都由零增大到最大静摩擦力，然后开始运动滑动，其滑动摩擦力f1是不变的

反思：本方案优于方案1、方案2.方案1、方案2中都必须保证物体做匀速直线运动，而本方案中用力拉木板，不管板做什么运动，传感器显示的力都等于摩擦力.

二、实验设计，一试身手

1.给你一个弹簧秤、木块、细线、斜面、电火花打点计时器、纸带，设计实验测量木块与斜面的动摩擦因数.

2.某同学在做测定木板与木块间动摩擦因数的实验时，设计了两种实验方案：

方案A：木板固定，用弹簧测力计拉动木块，如图4（a）所示；方案B：木块固定，用手拉动木板，如图4（b）所示，除了实验必需的弹簧测力计、木板、木块、细线外，该同学还准备了质量为200 9的配重若干.（g=10m/s²）

（1）上述两种方案中，你认为更合理的方案是______，原因是____；

（2）该实验中应测量的物理量是______；

（3）该同学在木块上加放配重，改变木块对木板的正压力，记录了5组实验数据，如下表所示：

请根据上述数据画出木块所受摩擦力f和压力的关系图象；由图象可求出木板和木块间动摩擦因数是

参考答案

1.将细线的一端系在木块上，另一端系在弹簧秤的挂钩上，在静止情况下测出木块的重力G.木块放在斜面上，用弹簧秤沿平行于斜面的方向向上拉动木块，用打点计时器判断木块是否匀速运动，调整拉力大小，当木块做匀速运动时，记下弹簧秤的读数F.；同理用弹簧秤向下拉动木块，记下木块做匀速运动时弹簧秤的读数

2.（1）方案B较好，因为实验结果不受木板如何运动的限制，且弹簧测力计是静止的，较易读数.（2）由木块受力平衡得F弹=，故该实验中应测量的物理量是木块的重力、每次拉木板时弹簧的弹力.（3）根据表中数据画出木块所受摩擦力和压力的关系图象，由图象可求出木板和木块间动摩擦因数是μ=0.25.endprint