基于DISlab系统的摩擦力教学测量仪的设计与研究

王一超 徐佳林 郑思怡 张译丹 呼格吉乐

摘  要：在我们的生活中，摩擦力处处存在而且起着十分重要的作用。在实际的教学过程中，摩擦力的分析一直是教学的难点，对于学生来说，摩擦力的大小和方向只能借助作用效果来分析，会显的十分抽象，不够直观，基于此问题的思考，结合DISlab朗威实验系统制作出了一款摩擦力的测量仪，可以较为直观的展示摩擦力的方向和大小，有助于学生理解和学习摩擦力的相关知识。

关键词：摩擦力;滑动摩擦;力的传递;最大静摩擦力;运动情况;DIS实验系统

中图分类号：O4-33         文献标志码：A         文章编号：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

常見的物体状态有静止和运动两种，这两种状态都有可能存在摩擦力的作用，在此为了保证静止和运动情况下可以直观的显示摩擦力的方向和大小，故在此设计此摩擦力测量仪。

1 实验仪器及装置

本文利用朗威  DISLab、计算机、公模配件、m2螺栓螺母、配重砝码、结构件、底板、细线若干，实验装置如图1。在底座上有一个可以左右移动的平台上，平台可以根据需要添加配重块，平台左右各添加了一块挡板，可以和力的传感器接触（之间有小空隙，水平时不接触），其中左边的力传感器代表摩擦力方向向右，右边反之。

2 实验测量及数据

2.1 基本摩擦力的测量

物体放置于水平地面上时，给予其一水平推力，当推力逐渐加大时，摩擦力也相应的逐渐增大，直至增强到最大静摩擦力后装置开始滑动，静摩擦力转化为滑动摩擦力。摩擦力变化图像应当如下：

其中F代表推力，f代表的是摩擦力的大小。

如图所示，我们在实验装置的中间可移动平台上施加一个水平向左的推力，在推力的作用下，移动平台会向左边水平移动，左边的挡板即会触碰到左边的力传感器。此时二者的力大小一致方向相反，接触后推力被传递到整个装置的底板，力传感器测到的数值大小等于推力的数值大小亦等于静摩擦力的数值大小。

当推力逐渐增大，一直超过最大静摩擦力后，物体所受的摩擦力开始演变成为滑动摩擦力，即有物体开始做加速的运动。此时档片对力传感器和力对挡片的力同样大小相同，方向相反，在此可视为装置的内力，在数值上仍等于物体与地面的摩擦力大小。由此我们可以依据此装置，来测量物体在受到水平方向上力的作用时的摩擦力大小。

依据以上原理，正确连接后测量获得图像如图4。

如图所示：当水平推力逐渐加大时，左侧力传感器数值变大，开始逐渐上升，直到最大静摩擦力后开始下降到滑动摩擦力的大小并保持不变，实验图像曲线与理论图像曲线基本吻合。

2.2 拓展测量

在教学过程中，我们经常会遇到的另一种情况是摩擦力作为动力输出，如图5所示：我们将装置放置于一块水平木板上，在水平木板上施加一个方向向左的拉力。

此时从整体来看，装置会随着木板一起向着左运动，但是实验装置内的水平运动平台会因为惯性的作用，向右移动导致右侧挡片和力的传感器接触，使得传感器有一个力的作用，依据牛顿第二定律我们可得：

按照上述实验要求，进行实验后获得实验图像如图6。

3 实验结论

本文所介绍的实验装置，非常清楚的介绍一种摩擦力的测量装置。同时分别介绍了两种基本情况下的测量模式，本装置可以非常直观的表现出摩擦力的方向和大小，有助于中小学生在学习相关的摩擦力问题时候加深理解。

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