摩擦力演示的重要性和实验探究

摩擦力演示

Friction

摩擦力在力学中是一个常见力，在物理教学中有十分重要的地位。对摩擦力现象的演示，将从静摩擦力和滑动摩擦力两个方面展开。利用摩擦力实验演示仪，可看到由静摩擦转变为滑动摩擦的过程中，摩擦力大小的突变，也可以利用控制变量法，对影响滑动摩擦力的各个因素进行探究。

实验装置

图1为摩擦力实验演示仪，采用了力的传感器进行定量的显示。利用步进电机对地板进行拖动，可以很方便地控制拖动的速度，并把速度显示出来。利用力的记录仪和显示器，可以将实时力显示出来，还可以对一段时间内的摩擦力变化情况用曲线记录下来。由于底板材质和小车拖板材质可以替换，所以能对不同材质间的摩擦力进行演示；也可以通过加减砝码改变加在接触面上的正压力，通过更换小车拖板改变滑动摩擦时的接触面，所以本装置可以对摩擦力涉及的多个因素展开探究。

图1　摩擦力实验演示仪

现象观察

1.静摩擦力转变为滑动摩擦力突变现象的观察

从静止开始拉动底板，观察力传感器中读数的变化并用曲线记录，可以看到在绳子绷紧的时候出现一个力的高峰，随着滑动的开始，摩擦力又趋于稳定。实验曲线如图2所示。

图2　静摩擦力转变为滑动摩擦力的实验曲线图

2.滑动摩擦力随正压力变化的探究

保持小车底板和拖板材质不变，通过加减放在小车上的砝码数量，利用表格记录对应的力传感器读数，可以发现这两者呈线性关系。

3.滑动摩擦力随接触面积改变而变化的探究

保持小车底板、拖板材质和加在小车上的砝码数量不变，让小车底板一次与拖板全接触，一次与拖板部分接触（只要将底板换个面就可以了），记录这两种情况下力传感器的读数，可以发现读数没有明显的改变。

图3　滑动摩擦力随接触面积改变而变化的实验曲线图

4.滑动摩擦力随接触面相对速度改变而发生的变化探究

保持小车底板、拖板和加在小车上的砝码数量不变，改变步进电机的输入，就可以改变拖板的速度，观察并记录力传感器上的读数，可以看到读数会有些波动，但基本维持在一个水平上。(www.xing528.com)

图4　滑动摩擦力随接触面相对速度改变而发生变化的实验曲线图

5.滑动摩擦力随接触物材质不一样而变化的探究

通过更换小车底板或拖板，改变它们的材质，进行实验记录数据，可以发现摩擦力与不同的材质有明显的关系。

现象解密

1.两物体间的静摩擦力是随着接触面上相对滑动的趋势增强而增加的。但它有一个最大值，实验表明，最大静摩擦力将与加在接触面上的正压力成正比：

式中：μ_s称为静摩擦因数，与接触面的材质和平滑程度有关。

2.当两个物体间的相对滑动趋势大于静摩擦力的极限后，相对滑动便随之发生，这时接触面上的摩擦力称为滑动摩擦力。实验表明，滑动摩擦力与接触面上的正压力成正比：

式中：μ称为滑动摩擦因数，其大小与接触面的材质和平滑程度有关，与接触面间的相对速度关系不大。对同样的接触面，静摩擦因数一般比滑动摩擦因数大一些。

应用拓展

摩擦力现象是自然界中最常见的物理现象，我们有时在利用它，有时也在尽量减小它的影响。没有摩擦力，人就无法行走，许多事情会变得不可想象。在一棵树上缠绕几圈后就可以拴住一头牛，也就是靠着巨大的摩擦力来实现的。当然，也有很多情况我们要防止摩擦力的危害，在各种轴承上加润滑油就是要尽量减小摩擦力的影响，这样会使运动更加灵活，损耗的机械能更小些。

摩擦力的成因非常复杂，与分子、原子之间的电磁力有紧密的关联，你是否能通过广泛的阅读，对此进行一个梳理？

思考题

1.为了保持实验条件的一致性，你觉得在操作本实验时要注意哪几点？

2.控制变量法在物理实验中有广泛的应用，你能结合摩擦力探究的实验说出它的优势吗？

3.你能想象一下，如果这个世界上没有摩擦力的话，将会是怎样一个局面？