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摩擦力探究实验仪

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粱亦星

研究动机

生活中摩擦力随处可见，但是在我们还没有接触物理学的时候，也许不会有人注意到它的存在，因为我们习以为常看见它让在草地上滚动的足球停下，司空见惯两件粗糙的物体相对运动发出难听的摩擦声……无法想象没有摩擦力的世界有多么可怕，汽车、火车、自行车都将失灵，我们还能像现在一样走路吗？我们还能握住一个东西不使它掉下吗？写字的时候笔还能用吗？

任何一样东西只要存在，那么一定有它存在的道理。我们无法随心所欲地控制摩擦力，但我们能寻找它的规律并巧妙地使它发挥最大的作用，因此，为了增加物理课堂教学的直观性，我就打算设计一个能探究滑动摩擦力和静摩擦力规律的仪器。

研究目的

在物理课堂进行摩擦力有关内容的教学时，常遇到学生看不清、理解不透的困扰。因此我希望能把最简单的装置改造成尽可能的多方面呈现摩擦力的大小和规律的实验仪器，提高学生对摩擦力的认知。

摩擦力探究学习实验仪具有如下功能。

探究接触面的粗糙程度对摩擦力大小的影响；

探究接触面的大小对摩擦力大小的影响；

探究物体所受的正压力对摩擦力大小的影响；

探究物体的运动速度对摩擦力大小的影响。

装置的组成

遥控器：遥控器中间接着一条导线用来发射信号，经过几次测试，无线遥控器的遥控距离超过30米（见图1）。

使用了蓝牙技术，使实验数据可以无线传送到计算机，并将各种摩擦力大小转换为相应的图像，让观察者能更清晰地看到各种情况下摩擦力的变化情况，方便分析。

驱动装置是可遥控的，由直流电机作动力源，并可以将电机的转动转换为平动（见图2）。

力传感器（见图3）是实验中最主要的部分。有了它，我们就能测量出各种下情况下的摩擦力大小，并且能清晰地了解摩擦力大小是否与实验道具接触面大小有关，是否与实验道具所受压力大小有关。是否与复合板滑行速度有关……。传感器测量力的大小能精确到小数点后三位，对于较精准的计算起了很大的作用。同时传感器有非常多的功能按钮，如果没有传感器，实验将缺少十分重要的测试数据。在整个实验中，传感器提供的数据也是我们研究摩擦力必不可少的重要因素，整个测量装置见图4。

研究方法

首先制作一个两面平滑、两面粗糙（砂纸面）的长方体木块作研究对象。我们测量了当木块与木板的接触面大小不同、粗糙程度不同（有砂纸或无砂纸），木块的质量、体积不变，运动速度不变的条件下摩擦力的大小。

经我们的观察得出：在木块物体静止时，存在力阻止木块移动，且这个力的大小与我们所施加的外力相等，这个力就是静摩擦力，可见我们准确地测出了静摩擦力。

反复测量并整理数据得到以下结论。

木块恰好开始运动时，得到最大静摩擦力，最大静摩擦力比动摩擦力大，而动摩擦力为定值。

摩擦力的大小与两物体间相对运动的速度和接触面积无关，仅取决于接触面的粗糙程度和物体所受正压力的大小。

虽然许多东西看起来很光滑，但在显微镜下观察，就会发现它们的表面凹凸不平。当两件物体互相接触时，物体表面凸起的部分，会卡住另一物体表面凹下的部分。如果这两件物体之间发生滑动，它们表面上凹凸不平的地方就會互相拉扯，阻碍滑动。这时候，其中一物体表面作用于另一物体表面的力，就是摩擦力。

为什么摩擦力的大小与接触面积无关，却与物体间的压力大小有关呢？

微观下物体的表面总是很粗糙的，实际上两物体并不会完全紧密地贴合。我们肉眼所见的接触面积，其实是小于实际接触的面积的。所以摩擦力的大小，与肉眼所见的接触面积并无直接关系。不过，若物体间的压力增加，便会增大两物体间的实际接触面积，令两物体间的相互作用增加（相互作用力增加），使摩擦力增大。

市场前景

在物理课堂实验中，有关摩擦力研究的实验仪器精确度、可视效果不够理想，本作品把传感技术、电子技术和视频技术等与传统的实验装置有机组合，实验精确度和视觉效果都较理想。倘若配合精美设计将更趋完美，实验操作简单方便。高性价比让其市场前景广阔。

该项目获得第31届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

该项目制作了摩擦力实验仪。选题内容新颖。概念清晰。对教学有重要的参考价值。具有很强的实用性。项目材料完整，展示问辩表现优异。

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-全文完-