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      基于DIS傳感器的摩擦力實驗裝置

      2021-01-06 09:00:54陳劍峰
      物理實驗 2020年12期
      關鍵詞:限位遙控摩擦

      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).

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