一种摩擦力演示装置设计

杨文锦 杨赛 薛翔云 王微 胡智慧

摘  要：摩擦力是一种常见的力，同时也是一种多因素共同决定的力。很多人对摩擦力的概念感觉抽象不容易理解，尤其是摩擦力的大小与接触面的关系问题。为了辅助摩擦力教学，笔者设计了一台摩擦力演示装置。文章主要介绍了该演示装置的设计原理、装置构成、制作方法以及仪器的详细使用方法。它适用于学生做基础的摩擦力验证实验。

关键词：演示装置   滑动摩擦力   静摩擦力   接触面

中图分类号：G633.7

Design of a Friction Demonstration Device

YANG Wenjin*   YANG Sai  XUE Xiangyun  WANG Wei  HU Zhihui

（Taiyuan Institute of Technology， Taiyuan， Shanxi Province， 0300008（邮编多一位，请确认） China）

Abstract： Friction is a common force and also a force determined by multiple factors. Many people feel that the concept of friction is abstract and difficult to understand， especially the relationship between the magnitude of friction and the contact surface. In order to assist the teaching of friction， the author designed a friction demonstration device. The article mainly introduces the design principle， device composition， production method and detailed usage method of the demonstration device. It is suitable for students to conduct basic friction verification experiments.

Key Words： Demonstration device; Sliding friction force; Static friction force; Contact surface

物理教學中，摩擦力是一种常见力，关于摩擦力的概念较为抽象，主要是因为摩擦力的大小和方向会依据实际情况而变化，使很多同学在学习时感到了困惑。摩擦力分为静摩擦力和滑动摩擦力两类：静摩擦力大小和方向是依据物体实际所处的状态而变化的，最大静摩擦力要比滑动摩擦力大，但是通常又将最大静摩擦力按照等于滑动摩擦力处理；滑动摩擦力的大小与正压力和接触面间的摩擦系数有关，与接触面的大小无关。物体处于静止和运动状态都可能会受到静摩擦力，也可能会受到滑动摩擦力，静摩擦力和滑动摩擦力可能是阻力也可能是动力。由于人们受固有思维影响和摩擦力本身较为复杂的原因，在摩擦力的教学中，利用教学设备进行演示实验是探究摩擦力最好的方法[1-2]。如图1所示，教材中简易的手拉弹簧测力计带动滑块在木板上做水平匀速直线运动，根据二力平衡原理，弹簧测力计的示数就是滑动摩擦力的大小[3]。

这种实验装置设计简单、容易搭建，但是却存在比较明显的缺点。缺点如下：（1）弹簧测力计与物块一起运动，弹簧测力计的受力严格来说是不满足受力平衡的，是不能将测力计的读数作为摩擦力来用的。（2）手动拖拽弹簧测力计运动，显示示数不能稳定、读数困难、操作过程随机性较大很难实现匀速运动、测力计运动读数误差较大、对最大静摩擦力的测量很难精确、较难实现控制变量法进行各因素对摩擦力大小影响的研究。如图2所示，一般经过改进后的演示仪，很多方面都有了进步，但是也有各自不同的缺陷。例如：使用皮传送带作为物块接触面的，由于传送带有弹性放置物块会弯曲变形，不能完全做到水平摩擦[4-5]，这样测到的摩擦力也就不能完全是水平摩擦力，存在较大的系统误差。还有一些改进演示仪[6]，只能定性描述摩擦力的方向，无法定量读出摩擦力的大小，也无法运用控制变量法测得各因素对摩擦力大小的影响。还有演示仪，物体的重力作用不能被完全忽略，难以保证水平运动[7]。

为解决上述问题，我们小组自主研制出一种摩擦力演示装置，有效解决了摩擦力实际教学过程中遇到的问题。下面就将该演示装置各部分的结构功能，以及具体实验方案进行详细说明。

1  演示装置的构成

1.1  摩擦力演示仪的结构设计

如图3所示，仪器整体分为四部分：底座支架、电机牵引装置、摩擦发生装置、摩擦力检测装置。

其中底座支架质量较大与桌面间有较大的摩擦，很稳固，可以调节水平并且呈L形。在底座的末端安装一个可控电机，在支架的顶端做延伸用于放置砝码和固定测力计。

电机牵引装置包括电机、变压器、电池，电机牵引装置作为一个整体安装在底座的尾部。电机的工作效率是可以进行调节的，调节旋钮安装在电机牵引装置的侧面。电机滚轮转动时，将连接在电机上的牵引绳不断地缠绕，从而达到牵引移动板小车运动的目的。

摩擦发生装置包括移动板小车、砝码托盘、砝码、粘贴面，其中砝码和粘贴面可以根据需要进行替换。实验测量的是砝码托盘与移动板小车之间的摩擦力。

摩擦力检测装置包括弹簧测力计、定滑轮、托盘牵引绳，弹簧测力计静止，可以严格测量最大静摩擦力和滑动摩擦力。

1-底板；101-牵引电机；102-移动板牵引绳；103-定滑轮支架；104-定滑轮；2-侧板；3-悬梁；301-备用砝码；4-移动板；401-行走轮；402-毛毡布粘贴面；403-砝码托盘；404-托盘牵引绳；405-弹簧测力计；406-大理石板粘贴面；407-配重砝码；408-水泥粘板贴面

1.2  各部件间的连接方式

如图4演示仪的三维建模图所示，底座支架承载整个装置，底座的长度要够，能满足小车的运动空间。小车的轮子小，牵引绳安装在小车前端中央，前后的牵引绳拉紧时保持水平，确保小车在运动过程中不偏移出长底座。电机牵引小车移动，电机的工作效率可以进行调节，能使小车作加速运动，也能做匀速运动。弹簧测力计垂直悬挂在底座支架上，拉动测力计的绳子拉紧时确保竖直铅垂。砝码托盘有一定的凹槽，确保在加速运动时砝码不会与砝码盘之间有相对运动。

（1）底板、侧板、悬梁由支撑部件连接固定，悬梁边缘打上小孔。

（2）电池盒、电机、变压器由电线连接，变压器与电池盒重叠固定在底板尾部，在电机牵引轮上绑上牵引绳，电机靠后固定且使牵引绳居中。

（3）给移动板两侧打孔，安装行走轮，连接牵引绳，使牵引绳水平居中，在移动板上放有砝码盘，砝码盘一侧连接托盘牵引绳。

（4）安装定滑轮到指定位置，调整定滑轮高度，使托盘牵引绳水平绕过，弹簧测力计一端连接托盘牵引绳，一端连接悬板边缘掉孔，调整定滑轮水平位置使弹簧测力计垂直。

2  演示装置的使用方法

该装置采用以恒定电流驱动的电机产生拉力，使得所拉移动板以某速度运动。通过改变粘贴面材料、改变砝码数量、更换材料质量相同但面积不同的砝码托盘、改变电机转速等来实现控制变量法研究摩擦力与摩擦力系数、正压力、接触面积、相对运动速度等因素之间的关系。

2.1  测量最大静摩擦

调节仪器底板水平，放置初始黏板和砝码，调整牵引绳水平和居中，将弹簧测力计调零或记录初始数据。打开电源开关，调节电机转速，当移动板与砝码盘即将发生相对运动时停止调节，记录此时弹簧测力计显示的数值，重复实验3次以上。记录数据减去弹簧测力计上的初始值，取平均就是最大静摩擦力。分别改变移动板上的粘贴面，改变砝码数量，更换砝码盘，再进行实验。

2.2  测量滑动摩擦力

调节仪器底板水平，将所要测量的黏板粘贴到移动板上，然后放上砝码盘，调整移动板与砝码盘位置，放置砝码調整牵引绳水平和居中，将弹簧测力计调零或记录初始数据。打开电源开关，电机缓慢加速，当移动板匀速运动时，记录此时弹簧测力计数值，再次加速，移动板稳定时记录数值。重复实验3次以上，结果取均值，即为测量得的可靠滑动摩擦力。

分别改变移动板上的粘贴面，改变砝码数量，更换砝码盘，再进行实验。

3  结语

该装置在前人的基础上利用牵引电机，使得实验中的受力恒定，读数稳定；同时，实现了控制变量法测各因素对静摩擦力和滑动摩擦力的影响。

不足之处：整个装置在读取摩擦力大小时并未采用数字屏显示，导致读取摩擦力时会产生误差。

改进措施：将摩擦力通过数字信号直接显示出来，能极大地降低肉眼读数所带来的误差。

参考文献

[1]尹慧萍.自制教具在中学物理力学教学中的应用研究[D].岳阳：湖南理工学院，2021.

[2]陈华轩.利用自制教具探究不同场景下的静摩擦力[J].中学教学参考.2023（15）：47-49.

[3]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版集团，2022.

[4]李钊.自制高中物理教具的应用：摩擦力演示仪为例[D].广州：广州大学，2020.

[5]葛宏宇.平面、斜坡、动静摩擦力演示仪的制作[J].大学物理实验，2008，21（4）：57-58.

[6]黄树清，陈睿涵，周亚斌.”滑动摩擦力演示仪”教具的改进与创新[J].物理通报，2021（2）：74-75.

[7]刘万庆.新型电动磁压式摩擦力演示器[J].发明与创新（中学生），2020（11）：29.