电子式滑动摩擦力探究仪

崔伟

摩擦力是中学物理的重要概念，探究影响滑动摩擦力大小因素以及测量动摩擦因数的实验是中学物理中两个比较典型的探究性实验和测量性实验。

传统的测量滑动摩擦力的实验装置如图1甲所示。要使弹簧测力计显示的示数恰好等于滑动摩擦力的大小，必须使弹簧测力计与物块一起在水平长板上做匀速直线运动，但实际操作是非常困难的，而且弹簧测力计在运动的过程中要准确地读出其示数也是十分困难的。于是不少教师将其改成了如图1乙所示的实验装置，让弹簧测力计的一端固定，另一端钩住长方形木块，木块下面是一长木板，实验时拉动长木板，使其向右运动，此时弹簧测力计与长方形木块保持相对静止，由于木块的静止状态比匀速直线运动状态的操作要容易得多（平衡状态的两种可能的比较），因为拉动的是水平长板，无需考虑水平长板是否匀速，由于弹簧测力计是静止的，可以方便地从弹簧测力计上读出滑动摩擦力的大小。

很显然，装置乙比甲的设计要科学得多。它作为初中定性探究影响滑动摩擦力大小因素的实验是可行的，但作为定量探究或要测量动摩擦因数还是有困难的。一是弹簧测力计的量程小，分度值大，测量精度不够；二是长木板使该装置显得庞大，而且长木板的运动还受实验桌的限制。因此，笔者用精度高的电子秤替代精度低的弹簧测力计，用传送带替代长木板，用尼龙搭扣作为木块底面调换材料的中介物来改变接触面的粗糙程度，设计并制作了《电子式滑动摩擦力探究仪》，实物如图2所示。

一、构造特点

本仪器主要包括电子秤、压块、定滑轮（细线）、木块（钩码盒）和传送装置（手柄）五大部分，如图3所示。

1.电子秤

从原理上讲，电子秤并不是测量质量的仪器，而是测压力（其大小等于物体的重力）的装置，其内部装有力传感器，可实现力与电信号的相互转换，自动计算出对应的质量数值，然后通过显示屏直接显示出来。图4是家用电子厨房秤的实物图，它由秤盘、显示屏和开关、单位、归零这三个按钮组成。“开关”具有接通电路，使显示屏工作的功能；“单位”具有转换功能，可以将“克”与“盎司”这二种单位相互转换；“归零”有去皮功能，能快速测出物体的净质量。该电子秤的称量为5kg，感量为1g，转化为测力计，称量为50N，感量为0.01N，能满足测力需要。

2.压块与定滑轮

该电子秤只能测压力，不能测拉力，但可通过转化测量获得。其思路是用压块作为转化物，让其压在电子秤上，在传送带静止时，读出电子秤的示数m0，当传送带运动时，木块受到的滑动摩擦力通过细线上的拉力传递，并由定滑轮改变方向，向上拉压块，使电子秤的示数减小为m，其变小量为Δm=m0-m，此时摩擦力的大小可由f=Δmg计算得到。

3.木块与尼龙搭扣

利用实验室长、宽、高分别为a、b、c的长方体木块作为研究对象，利用其平面、侧面、立面以及一个平面和侧面能放置50g钩码的圆孔，可以获得5个不同的表面积，以此来探究摩擦力是否与其接触面积有关。木块的底面用尼龙搭扣作为调换材料的中介物，可将质量相同的木质、纸质、细布、粗布、塑料这五种材料与木块连接来改变接触面的粗糙程度。将钩码盒里的个数不同的50g钩码置于木块上表面的圆孔中，可以方便地改变压力的大小。

4.传送装置

传送装置由水管制作的传动轴、布制作的传送带和由水管及其接口制作的手柄组成。粗糙的帆布绷紧在二个传动轮上，就成了传送带；手柄直接装在主动轮上，摇动手柄使主动轮转动。通过从动轮带动传送带在水平方向运动，与静止的木块发生相对滑动，改变手柄的摇动速度，可以改变木块相对滑动的速度。

二、使用方法

称量前，按开关键、归零键，使单位键置于克（g），将压块置于秤盘的中间，读出电子秤的示数，即为压块的质量m0。

将木块置于传送带上，细线通过定滑轮分别与压块和木块连接。摇动手柄，使传送带与木块之间发生相对滑动，读出此时电子秤的示数m。

计算电子秤的示数差Δm=m0-m，可以得出滑动摩擦力f=Δmg。（g取10m/s2）

三、定量探究

1.探究滑动摩擦力与压力大小的关系

（1）用电子秤分别测出木块、压块的质量M、m0，并记录在表1中。

表1

（2）摇动手柄，使木块与传送带之间发生相对滑动，将此时电子秤的示数m记录在表1中。

（3）在木块上表面分别加1个、2个、3个、4个50g的砝码，在表1中分别记下该时电子秤的示数。

（4）完成表1中其他空格的计算。

（5）将表1中的压力与摩擦力的相关数据画成函数图像，如图5所示。

（6）由图5中的函数图像可得出结论：滑动摩擦力的大小与压力的大小成正比。

根据实验数据或函数图像的斜率还可以求出动摩擦因数。μ1=f1/F=0.213N/0.38N=0.416；同理可得μ2=0.416、μ3=0.415，μ4=0.416，μ5=0.417，最后计算其平均值：μ=（μ1+μ2+μ3+μ4+μ5）/5=0.416，即为所测的动摩擦因数。

2.探究滑动摩擦力与接触面积的关系

（1）用刻度尺测出长方体木块的长、宽、高分别为8.9cm、7.2cm、3.4cm，计算出该木块平面、侧面和立面的面积分别为64.08cm2、30.26cm2、24.48cm2，在长方体木块的一个平面有4个直径为2.5cm的圆孔，该平面的实际面积为40.40×10-4cm2，一个侧面有2个直径也为2.5cm的圆孔，该侧面实际面积为20.25×10-4cm2，填入表2相应的表格中。

（2）在木块上放2个50g的砝码，对传送带的压力为1.38N。

（3）分别将木块平放、侧放和立放，摇动手柄，使木块与传送带之间发生相对滑动，在表2中分别记下电子秤在该时的示数。

（4）按上述方法完成表2中其他空格的计算。

（5）分析表中的数据，可得出结论：滑动摩擦力的大小与接触面积无关。

表2

3.探究滑动摩擦力与接触面粗糙程度的关系

（1）在探究2实验1的基础上，用尼龙搭扣将木质垫子连接在木块的底面上，测量此时木块的总质量，然后放在传送带上，摇动手柄，记下电子秤此时的示数。

（2）用同样的方法，将纸质的、细布的、粗布的、塑料的垫子连上，摇动手柄，使木块与传送带之间发生相对滑动，分别测出该时的电子秤的示数，并将其记录在表3中。

（3）按前述的方法完成表3中其他空格的计算。

（4）分析表中的数据，可得出结论：滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大。

表3

4.探究滑动摩擦力与相对滑动速度的关系

（1）在探究2实验1的基础上，改变手柄的摇动速度，进而改变木块与传送带之间相对滑动的速度，用电子表分别测出手柄摇10圈的时间t，并分别读出该时电子秤的示数，并将其记录在表4中。

（2）按前述的方法完成表4中其他空格的计算。

（3）分析表中的数据，可得出结论：滑动摩擦力的大小与物体相对滑动的速度有关，其本质是相对滑动的速度改变了动摩擦因数，导致滑动摩擦力的大小发生变化。该动摩擦因数的大小随相对滑动速度的增大而减小，最后趋于一个定值，其函数图像如图6所示。

表4

四、总结提升

1.探究结论

综上所述，滑动摩擦力f的大小与压力F的大小成正比，可以用公式f=μF来描述。其中的μ叫动摩擦因数，它是描述物体相对滑动时，接触表面阻碍物体滑动能力的一个物理量。它与接触表面的粗糙程度和滑动的相对速度有关，接触面越粗糙，其阻碍物体相对滑动的能力就越强，物体受到的滑动摩擦力就越大。它还随相对滑动速度的增大而减小，最后趋于一个定值。当相对速度为0时，μ就是最大静摩擦系数。

2.创新分析

（1）思路新

本探究仪的设计思路比较新，采用压块作为中介物，将拉力转化为压力，可以用电子秤来测滑动摩擦力。根据网上搜索，目前尚未发现用电子秤测量摩擦力的。

（2）精度高

本探究仪测量的精度高，可达0.01N，如果用称量为1kg的电子秤，其精度高达0.001N，是弹簧测力0.1N的100倍，这为定量探究滑动摩擦力的影响因素，实现由高中学生通过自己的亲身实验来得出摩擦定律成为可能。

（3）体积小

本探究仪用传送带代替长木板，既可以缩小体积，实现往复运动，还能改变相对滑动的速度。

（4）操作易

本探究仪用尼龙搭扣作为木块的底面调换材料的中介物，连接粗糙程度不同的材料，如木质的、纸质的、细布的、粗布的、塑料的，来改变接触面的粗糙程度，既方便可靠，又节约材料。在木块的上表面和侧面开有圆孔，既能改变接触面积，又能放置钩码，很容易改变压力的大小。使木块和电子秤处于相对静止的状态，既操作简单、又使电子秤的示数稳定，极大地提高了实验效率和测量精度。

（5）成本低

本探究仪除了电子秤在网上邮购（17元）、木块与钩码利用学校实验室的器材外，其余都是利用废旧的三夹板、食品盒、塑料水管及其接口、尼龙搭扣、布、塑料等制作而成。容易加工，便于学生模仿制作，为鼓励和引导学生建立家庭实验室起示范和榜样的作用。

当然，在实际使用的过程中，还存在一些问题，由于手柄是用塑料水管及其接头制作的，操作时不够灵活；传送带是用布缝制的，传动轴是由水管制作的，手柄在快速摇动时，有打滑现象，这些问题有待于进一步去研究和克服。

（责任编辑 郭振玲）