利用DISLab系统测量滑动摩擦力

2021-03-21麦东强

快乐学习报·教育周刊 2021年3期

麦东强

摘要：测量水平运动物体所受的滑动摩擦力是初中学生必做实验项目。利用"数字信息系统实验室"（DISlab朗威实验系统）对物体在水平面上滑动时所受的摩擦力进行测量，并利用传感器将滑动摩擦力的大小以数字和图像的形式呈现，能使学生更直观的看到滑动摩擦力的大小和变化。通过该实验精确测量，使学生更好的理解和掌握测量滑动摩擦力的两种方法。

关键词：滑动摩擦力;初中;DISLab;传感器

1.背景

滑动摩擦力是一种比较常见的力。拉动一个木块在水平的金属板上滑动时，木块由于地球的吸引受到竖直向下的重力的作用，放在金属板上时，使得与它接触的金属板发生形变，金属板对木块产生竖直向上的支持力。两物体接触面是粗糙的，木块滑动时，相对金属板运动了，木块受到了金属板施加的滑动摩擦力。

测量水平运动物体所受的滑动摩擦力是初中学生必做的二十个实验项目之一。人教版（2012）提供的测量方法是利用弹簧测力计水平匀速拉动木块。通过弹簧测力计的读数测量木块受到的滑动摩擦力。这种方法学生在实验过程中会出现的问题是比较难控制匀速拉动木块，容易出现忽快忽慢的拉动情况，导致示数发生变化，影响实验结果。且在一边匀速拉的过程中，一边读数比较麻烦，误差也较大。因此，该实验经常出现的问题是学生测量结果不准确甚至不能得到正确的结论。

下面我们通过受力分析解析该实验原理并尝试用DISlab朗威实验系统改进该实验。

2.测量滑动摩擦力的方法1

我们来分析一下教材提供的方法测量木块受到的滑动摩擦力时的受力情况。如左图所示。通过之前的分析，我们知道竖直方向，它受到重力和支持力，这两个力大小相等，方向相反。水平方向上，它受到拉力和滑动摩擦力，如果要拉力和滑动摩擦力大小相等，方向相反。那么木块在水平方向上要静止或做匀速直线运动。所以，木块在水平方向上匀速直线运动时，我们用测力计测量拉力的大小就可以知道滑动摩擦力的大小了。

这种方法的测量依据是：木块做水平匀速直线运动时，水平方向受到的拉力和滑动摩擦力大小相等。

用手拉动时，怎么判断木块是否在做匀速直线运动呢？根据匀速直线运动的定义，物体沿着直线且速度不变的运动，叫做匀速直线运动。如果我们通过监测发现木块运动的路程随时间变化的图线是一条倾斜的直线，那就说明路程和时间的比值不变，这个比值就是速度，所以木块的速度不变，也就是它在做匀速直线运动。

利用DISlab朗威实验系统的一对传感器可以帮助我们监测物体运动的状态。我们将其中的一个固定在桌面，另一个放置在木块上随木块一起运动。它们工作时可以通过计算机显示一个反映出路程与时间的关系图像。如果图线是与横坐标平行的，代表物体处于静止状态，如果图线是一条倾斜的直线，代表物体在做匀速直线运动。如果不是一条倾斜的直线，代表物体没有在做匀速直线运动。

用电动机可以带动木块做匀速直线运动。如上图是一种电动机牵引装置。电动机转动时带动一根金属螺纹杆转动，螺纹杆上的滑块会水平运动，再用绳子带动木块水平运动。

我们用电动机水平拉动木块在金属板上滑动，用拉力传感器测量木块受到的滑动摩擦力。

通过观察拉力的读数和木塊运动的路程随时间变化的图像。发现利用电动机确实可以带动木块做匀速直线运动。这时木块水平方向受到的拉力和摩擦力大小相等。所以木块受到的滑动摩擦力也是0.3N。利用和硬件搭配的DISlab朗威实验系统，可以将拉力的读数和物体运动的路程随时间变化的图像通过电脑屏幕同时呈现。

利用这种方法，我们拉动木块做水平匀速直线运动时，才可以测量木块受到的滑动摩擦力。

根据分析，当木块静止放置在金属板上时，如果将木块固定，然后用弹簧测力计水平拉动金属板也可以测量滑动摩擦力。因为木块是处于静止状态，水平方向受力平衡，因此不用匀速拉动木块。下面我们分析一下这种方法。

3.测量滑动摩擦力的方法2

将金属板放在水平地面上，将一木块通过弹簧测力计固定。如上图。根据之前的分析，木块受到支持力，它和金属板之间相互挤压，而且接触面都是粗糙的。向右拉动金属板时，我们看到，虽然木块相对桌面是静止的，但是它在金属板的位置发生了变化，所以木块相对于金属板是运动的，所以，它会受到金属板对它施加的滑动摩擦力。

通过之前的分析，我们知道竖直方向，它受到重力和支持力，这两个力大小相等，方向相反。水平方向上，它受到拉力和滑动摩擦力，如果要拉力和滑动摩擦力大小相等，方向相反。那么木块在水平方向上要静止或做匀速直线运动。所以，木块静止时，我们用测力计测量拉力的大小就可以知道滑动摩擦力的大小了。

所以这种方法，是利用木块静止时，水平方向受到的拉力和滑动摩擦力大小相等的原理来测量的。

4.测量滑动摩擦力的两种方法总结

我们将第1种方法和第2种方法测得的结果进行对比，发现两次测量的结果也是相同的。

总结对比发现，这两种测量滑动摩擦力的方法都是使木块处于平衡状态，水平方向受到的拉力和滑动摩擦力大小相等，方向相反。所以用弹簧测力计测出拉力的大小就能得到滑动摩擦力的大小。