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基于传感器对“摩擦力”的实验研究刘娟

发表时间：2021/9/7 来源：《教育研究》2021年10月上作者：刘娟

[导读] 本文是利用传感器对摩擦力研究的一个实例。通过位移传感器和力学传感器的结合，对静摩擦力变为滑动摩擦力的瞬时性，滑动摩擦力平滑性进行了研究和方案的改进

贵阳一中物理组刘娟

摘要：本文是利用传感器对摩擦力研究的一个实例。通过位移传感器和力学传感器的结合，对静摩擦力变为滑动摩擦力的瞬时性，滑动摩擦力平滑性进行了研究和方案的改进。
关键词：摩擦力传感器
        “摩擦力”这一节的知识是中学阶段的重点和难点内容，尤其对于静摩擦力的分析和确定，学生是很难把握。
        1、传统实验的不足
        在木块运动之后，要观察滑动摩擦力的变化，必须达到匀速直线拉动的条件。这一条件，在实验操作中是非常难以实现的。带来的后果就是实验的误差大，稳定性差。基于这一缺陷，传统实验也进行了改进，保证了木块处于平衡状态这一条件，通过拉动木板完成实验，提高了实验的可操作性和稳定性。
但仍然存在不足：1、此实验只能在水平方向上完成，学生不能很好的观察到弹簧测力计的示数变化，可见度和观察效果都不高。2、由于静摩擦力变化的时间很短暂，只能定性的去研究摩擦力，学生很难通过观察弹簧测力计，来认识静摩擦力和滑动摩擦力，其可视化程度很差。
基于以上的分析，笔者认为引入传感器技术来辅助教学是非常必要的。这样不仅使力在测量精度上得到改善，而且还提高了实验的可视化程度，让学生直观的认识摩擦力，为定量的分析摩擦力打下了很好的基础。
        2、利用传感器对摩擦力实验进行完善
        2.1实验思路
        将实验方案中弹簧测力计换成力传感器，再利用位移传感器来表征木块与木板的相对运动，由数据采集器通过电脑记录拉力、位移的实时变化过程，通过同一坐标显示，从而更详细的刻画出摩擦力的动态变化。
        2.2实验器材
朗威DISLab数据采集器，力传感器，位移传感器、长木板，木块，钩码，细线，计算机，铁丝，白纸
        2.3实验过程
        1、将力传感器与铁架台固定，测力的一端与长木板上的木块用细线相连。
        2、将位移传感器的接收器与桌面固定，发射器与长木板固定，调节使其正对。
        3、调节使长木板水平，将力传感器、位移传感器调零，在“组合图线”中设置“力与时间”、“位移与时间”图像，点击“开始”按钮，开始记录。
        4、水平拉长木板，使长木板与木块之间经历相对静止到相对运动的过程。
        5、选取图像有效段进行放大保存，得到实验图像3。
        6、增加正压力，重复以上实验步骤得到实验图像4
        7、观察图像，分析物块由静止到动摩擦力的变化特点。
        2.4实验图像及思考

        比较两图，可以发现两图中滑动摩擦力的部分图4的稳定性比图3的好。但总体来看，滑动摩擦力的起伏都相对偏大。这与理论的分析相差甚远。在对比位移和摩擦力的关系中还发现，在两图的第1部分中静摩擦力从零增加到最大的过程中，位移在随着增大，这看似与理论分析是不吻合的。而且在实验的过程中发现，正压力越小，图像的稳定程度就越低。
        比较图像，可以得到以下的结论：
        （1）最大静摩擦力总大于滑动摩擦力。
        （2）正压力与最大静摩擦力和滑动摩擦力有关，正压力越大，最大静摩擦力和滑动摩擦力就越大。
        （3）正压力越大，滑动摩擦力的波动较小，稳定性较高。
        3、实验分析与改进
        图像的稳定性差，笔者认为有以下几种原因：1、与细线的弹性有关，弹性越大的，其滑动摩擦力起伏越大，无法稳定运动。2、与木块与长木板的接触面的不均性有关。这也使得长木板在运动时，木块左右摆动，不处于平衡状态，从而使得力的波动大。正压力较大时，木块左右摆动较小，这也很好的解释了，正压力越大，稳定性较高的这一现象。

基于以上的原因分析，笔者将长木板用白纸糊上，把细线换成粗铜丝，其余过程不变。得到右图图像。看到静摩擦的变化过程，在静摩擦力逐渐增大的过程中位移几乎没有发生改变。而在滑动摩擦力的部分，图像也相对比较平滑和稳定。
        3、小结
        实验图中，看到图像有明显的下降，究其原因，可能是人为的原因，在拖动木板时，不稳定，有稍微的停顿都可能影响实验结果，所以笔者建议对此实验可以进行下一步的改进，将人为拖动木板改成机器拉动，比如说电动机等。保证实验过程的规范性，提高图像的平稳性，减小人为所带来的实验的误差。
参考文献
[1] 普中高中课程标准实验教科书物理必修1[M]. 2011年6月第2次印刷. 人民教育出版社.
[2] 马述刚. 用传感器演示摩擦力的实验研究[J]. 物理教师, 2012, (01): 30.