基于DIS傳感器的摩擦力實驗裝置

陳劍峰

(莆田第二中學，福建 莆田 351131)

摩擦力是中學力學部分的重要內容之一,探究滑動摩擦力大小影響因素的實驗是章節(jié)的重難點，實驗涉及到彈簧測力計的使用和二力平衡知識. 現(xiàn)有教材研究摩擦力的實驗裝置，利用測力計拉動木板上的滑塊做勻速直線運動，根據(jù)二力平衡間接測量出滑動摩擦力. 多數(shù)學生在猜想環(huán)節(jié)猜想滑動摩擦力的大小與相對運動速度或接觸面積有關. 教材中采用在摩擦塊上加砝碼的方法來改變壓力，研究滑動摩擦力與壓力的關系，部分學生對該方法有疑議：加上砝碼后壓力變化的同時重力也發(fā)生變化，而結論卻是滑動摩擦力大小與壓力有關，而與重力無關，學生對實驗中的控制變量法存在疑義. 部分教師在實驗前直接告知學生滑動摩擦力與相對運動速度、接觸面積等無關，直接安排學生探究滑動摩擦力與壓力、接觸面粗糙程度之間的關系. 這種“假探究”不利于培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng).

1 實驗裝置的設計基本思路

1)利用三角鋼組合成長方體支架；

2)利用鋁托做導軌，利用直流電動推桿帶動滑塊及鋁托上的滑臺移動；

3)增加調速電路，控制底板移動的速度；

4)利用DIS力傳感器采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時動態(tài)測量；

5)裝置主體可被翻轉90°，在豎直長方體支架側面安裝另一傳感器，測量壓力；

6)利用3D打印設備設計各種規(guī)格的摩擦塊模型.

2 實驗裝置的制作方法

制作材料：木板若干、角鋼條、童車開關、導線若干、橡皮筋、導程25 cm的電動推桿、調速模塊、12 V 10 A帶遙控限位功能的卷簾門電機無線控制模塊、3D打印設計的不同規(guī)格的摩擦塊、KT板、鉤碼、力傳感器、采集器、電腦、雙面膠、墻面泡沫、魔術貼的毛面和刺面等.

制作方法：利用角鋼條組裝90 cm× 40 cm×25 cm的長方體主體支架． 采用12 V鋰電池供電. 推桿后端固定在主體支架上，前端固定在滑臺板面下方，帶動滑臺運動，利用無線遙控模塊(控制卷簾門電機正反轉的遙控模塊)控制滑臺左右運動，增加調速模塊來調節(jié)滑臺移動的速度. 利用3D打印六棱柱和各面面積不同的柱體作為摩擦塊(六棱柱的各個面分別貼上粗糙程度不同的材料). 主體支架的水平位置及側面安裝力傳感器，分別測量摩擦力與壓力.

實驗裝置整體如圖1所示.

圖1 實驗裝置整體圖

3 實驗裝置的使用方法

3.1 研究滑動摩擦力與接觸面粗糙程度的關系

1)將裝置水平放置，調節(jié)開關(手動、遙控)，讓水平移動板向右移動，直到水平板觸發(fā)限位開關停止移動；

2)把貼有毛巾面的摩擦塊放在水平移動板的中間位置，另一端掛在傳感器的掛鉤上；

3)點擊實驗軟件“開始”，將傳感器調零；

4)啟動驅動電機，力傳感器采集拉力的變化曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值(根據(jù)二力平衡可知f=F)；

5)翻轉摩擦塊，改變接觸面的粗糙程度，重復以上實驗，采集多組實驗數(shù)據(jù)；

6)分析得出結論.

實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 探究滑動摩擦力與接觸面粗糙程度的關系實驗數(shù)據(jù)

實驗結論：當其他條件不變時，滑動摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度有關，接觸面越粗糙滑動摩擦力越大.

3.2 研究滑動摩擦力與接觸面面積的關系

1)將裝置水平放置，調節(jié)開關(手動、遙控)，讓水平移動板向右移動，直到水平板觸發(fā)限位開關停止移動；

2)把3D打印設計的不同接觸面面積的摩擦塊放置在水平移動板上；

3)點擊實驗軟件“開始”，將傳感器調零；

4)啟動驅動電機，力傳感器采集拉力的變化曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值(根據(jù)二力平衡可知f=F)；

5)翻轉摩擦塊，改變其接觸面面積，重復以上實驗，采集多組實驗數(shù)據(jù)；

6)分析得出結論.

實驗數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 探究滑動摩擦力與接觸面面積的關系實驗數(shù)據(jù)

實驗結論：當其他條件不變時，滑動摩擦力的大小與接觸面面積無關.

3.3 研究滑動摩擦力與相對運動速度的關系

1)將裝置水平放置，調節(jié)開關(手動、遙控)，讓水平移動板向右移動，直到水平板觸發(fā)限位開關停止移動；

2)點擊實驗軟件“開始”，將傳感器調零；

3)把貼有魔術貼毛面的摩擦塊放在水平移動板中間，另一端的細線掛在力傳感器的掛鉤上；

4)啟動驅動電機，力傳感器采集拉力的變化曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值(根據(jù)二力平衡可知f=F)，光電門自動記錄底板移動的速度；

5)多次調整控制水平板的無級調速旋鈕，改變木板水平運動的速度，重復以上實驗，采集多組實驗數(shù)據(jù)；

6)持續(xù)調節(jié)調速旋鈕，連續(xù)改變木板運動的速度；

7)分析得出結論.

實驗數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 滑動摩擦力與相對運動速度關系實驗數(shù)據(jù)

實驗結論：其他條件不變時，滑動摩擦力的大小與相對運動的速度無關[1].

3.4 研究滑動摩擦力與壓力的關系

1)將裝置豎直放置，如圖2所示,調節(jié)開關(手動、遙控)，讓水平移動板向上移動，直到水平板觸發(fā)限位開關停止移動；

2)把帶線的摩擦塊掛在力傳感器上，將兩傳感器調零；

3)將摩擦塊側面任意1根橡皮筋掛在側面力傳感器上，測量出此時的壓力值；

4)啟動驅動電機，底板向下移動，可得到上力傳感器的變化值曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值得到滑動摩擦力大小(根據(jù)力的平衡可知傳感器數(shù)據(jù)的變化量就是摩擦力的大小)；

5)通過不斷增加皮筋的數(shù)量來改變正壓力的大小，采集多組數(shù)據(jù)；

6)分析得到結論.

圖2 探究滑動摩擦力與壓力的關系實驗裝置

實驗數(shù)據(jù)如表4所示. 用Excel進一步對數(shù)據(jù)進行分析，如圖3所示.

表4 滑動摩擦力與壓力的關系實驗數(shù)據(jù)

圖3 滑動摩擦力與壓力的關系

實驗結論：當其他條件不變，滑動摩擦力的大小與壓力成正比[2].

3.5 研究滑動摩擦力與摩擦塊重力的關系

1)將裝置翻轉90°豎直放置，如圖2所示；

2)調節(jié)開關(手動、遙控)，讓水平移動板向上移動，直到水平板觸發(fā)限位開關停止移動；

3)點擊開“開始”，將傳感器調零，將摩擦塊掛在傳感器上，記錄摩擦塊的重力，傳感器再次調零；

4)將摩擦塊側面任意1根橡皮筋掛在側面力傳感器上；

5)啟動驅動電機，底板向下移動，可以得到上力傳感器的變化值曲線，選取有效區(qū)域的數(shù)據(jù)取平均值；

6)將不同的配重片對稱安裝在空心摩擦塊的內側，改變摩擦塊的重力大小(側面橡皮筋數(shù)量不變，控制其壓力一定)，采集多組數(shù)據(jù)；

7)分析得到結論.

實驗數(shù)據(jù)如表5所示.

表5 滑動摩擦力與摩擦塊重力的關系

實驗結論：其他條件不變時，滑動摩擦力大小與重力無關.

4 結束語

實驗裝置利用推桿帶動底板運動，可手動、遙控操作，既方便，又穩(wěn)定. 利用DIS力傳感器采集圖像，準確、直觀、效果好. 巧妙設計裝置豎直翻轉90°，解決教材在探究滑動摩擦力與壓力關系時，在摩擦塊上放上重物來改變壓力，帶來的壓力變化的同時重力也發(fā)生變化的問題. 裝置功能多，可以全面探究滑動摩擦力的各影響因素，培養(yǎng)學生探索興趣，提升學生的實驗素養(yǎng).