傳送帶靜止和運動時物體所受摩擦力的對比驗證

周 杰

(江蘇省江浦高級中學文昌校區(qū) 211800)

傳送帶模型是一個重要的力學模型，摩擦力的大小只與動摩擦因素和壓力大小有關(guān)，但很多學生受到現(xiàn)實生活中一些現(xiàn)象的誤導而覺得摩擦力大小也會受到相對速度大小的影響，故設(shè)計實驗以正視聽.

一、實驗原理與思路

1.實驗原理及實驗器材

為了便于操作，本實驗采取傾斜傳送帶，速度向上，讓物體在傳送帶上由靜止下滑.比較傳送帶靜止時和向上運動時，物體經(jīng)過兩個光電門的時間，若誤差范圍內(nèi)兩次用時相等，說明兩種情況下物體所受摩擦力大小不變，也即摩擦力大小與速度無關(guān).實驗原理圖如圖1.

傳送的選擇：商用傳送帶價格過高，約3000元.所以選擇了一款玩具(burger mania，如圖2)作為實驗用傳送帶，速度可調(diào)(有三種速度可以選擇)且工作穩(wěn)定.

時間的測量：采用光電門和數(shù)字計時器(型號J0201-CC)記錄物塊經(jīng)過兩點所用時間.

物塊的選擇：比較了不同物體，發(fā)現(xiàn)一角硬幣作為下滑的物塊比較方便控制.通過電磁鐵控制物體的釋放，硬幣下滑時不會翻轉(zhuǎn)，幾乎不會旋轉(zhuǎn).

遮光物的選擇：本實驗中選取牙簽作為遮光物，首先牙簽的粗度適中(比較過牙簽和針)，而且它是圓柱形(片狀物體會因為旋轉(zhuǎn)而導致遮光長度發(fā)生變化).

遮光物與物塊的連接：直接將牙簽粘在硬幣上很不牢固，故用一塊小塑料作為底座.制作時要盡量讓牙簽處于硬幣圓心，為了保證牙簽垂直硬幣，將硬幣置于調(diào)節(jié)好的水平儀上，調(diào)節(jié)牙簽(在不同角度都)平行于豎直懸線；如圖3所示.

為了讓物塊無初速釋放，設(shè)計了如圖4所示的控制電路.用電磁鐵控制硬幣的釋放，電磁鐵選擇較細小的螺線管；為了控制電磁鐵的磁性，接入了電位器，調(diào)節(jié)電磁鐵磁性.實驗中要盡量減少導線的抖動對物塊初速的影響.

2.實驗過程

為了控制變量，減小其他因素的干擾，每次都讓硬幣某個特別位置(做標記)靠近螺線管.

(1)調(diào)節(jié)好儀器，傳送帶靜止，測出10次的數(shù)據(jù).然后測出10次傳送帶一直處于高速擋運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)，再分別測傳送帶中速檔，慢速檔時的10組數(shù)據(jù).

(2)傳動帶靜止測一次，緊接著(高速檔)測一次，依次測出30組數(shù)據(jù).目的為了探究傳送帶不同的表面，對實驗數(shù)據(jù)的影響.

二、實驗數(shù)據(jù)處理

1.連續(xù)測量10組數(shù)據(jù)時

對數(shù)據(jù)進行分析，可以excel做出圖線圖象(圖中橫軸表示次數(shù)，縱軸表示時間)；再做出一靜一動的10組數(shù)據(jù).對兩次的數(shù)據(jù)進行對比研究.

從數(shù)據(jù)中(如圖5所示)，可以看出，不同速度時運動時間基本是相等的，和靜止時也基本相等.則在誤差范圍內(nèi)，靜止和運動時摩擦力大小相等.

2.傳送帶靜止時

測一次數(shù)據(jù)，緊接著運動測一次數(shù)據(jù)，依次測出30組數(shù)據(jù)，30組數(shù)據(jù)的點狀圖(如圖6，縱軸表示時間，單位毫秒).平均值對比，靜止時182.63ms，運動時182.64ms.

三、實驗結(jié)論

兩次實驗說明在誤差范圍內(nèi)，傳送帶靜止和運動時，時間是相等的.也就可以得到結(jié)論——傳送帶和物體速度方向相反時，傳送帶速度大小對物體運動所受的摩擦力大小是沒有影響的.

對比兩次實驗數(shù)據(jù)，可以看出傳動帶表面粗糙程度并不完全相同，第一次實驗的誤差來源較大程度是接觸面不同.

四、誤差分析

對本實驗來說，螺線管磁性的殘留，釋放點位置，物塊是否側(cè)滑，傳送帶的粗糙程度是否一致，物塊的旋轉(zhuǎn)都可能造成誤差.實驗中發(fā)現(xiàn)磁性的強弱非常關(guān)鍵，稍強會出現(xiàn)斷開電源物塊不動，稍弱會出現(xiàn)未斷開電源物塊已經(jīng)下落.若未斷開電源物塊即下落，螺線管的磁力會對數(shù)據(jù)造成明顯影響.在實驗和數(shù)據(jù)處理過程中學生經(jīng)歷親身體驗、交流討論，總結(jié)出應對措施和改進方式并交流分享了經(jīng)驗.

五、反思和評價

優(yōu)點1.學生的生活經(jīng)驗很容易給物理學習帶來的干擾，通過實驗驗證解決疑惑.2.實驗自己組裝，極大提高學生的學習興趣

不足：1.傳送帶長度不夠，說服力可能略顯不足.2.未能做出傳動帶速度更大一些時的狀況.3.由于物塊是硬幣，與螺線管接觸時，會有側(cè)移.