静、动摩擦力演示仪的制作，本文主要内容关键词为：摩擦力论文,演示论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
摩擦力是学生进入高中阶段学习之后遇到的一个有一定难度的物理概念，它主要有以下几个方面需要认识清楚：①影响静、动摩擦力大小的因素；②判断静、动摩擦力的方向；③最大静摩擦力和滑动摩擦力的区别与联系。在长期的教学实践中，我们认识到：定量地演示出静摩擦力、动摩擦力的大小，动态地演示出摩擦力的变化过程，对学生正确理解这个概念是大有裨益的。鉴此，我们制作了这套“静、动摩擦力演示仪”，经教学使用，效果良好。现介绍如下：
一、设计思想
传统演示静摩擦力的方法是：用测力计水平地拉桌面上的物体，物体静止时，测力计的示数即为物体受到的静摩擦力的大小；物体匀速运动时，测力计的示数即为动摩擦力的大小。使用这种方法不容易演示静摩擦力从零逐渐增大的过程，从最大静摩擦力到滑动摩擦力的变化过程由于是瞬间完成的，学生不容易观察到，物体是否做匀速运动教师也不易掌握，这样，测力计的示数并不能准确地反映动摩擦力的大小。考虑到这些局限性，我们便换了一个角度来思考：既然摩擦力产生于存在相对运动（或相对运动趋势）的两个物体之间，如果我们能够营造出这样一个环境，让两物体相对静止，想办法测量出其中一物体所受摩擦力的大小，不就动态地演示了摩擦力的变化过程了吗？基于这种思路，我们用一低速同步电机（此种电机内部有多级齿轮减速，使输出轴转速为5转/分钟，电机采用机械定向或电容分相定向均可）带动主动轮旋转，主动轮与从动轮之间用橡胶皮带连接，把摩擦块（质量合适的木块或铁块）放在橡胶皮带上，木块的一端通过细绳与测力计相连，当木块与橡胶带相对静止时，橡胶带对木块的静摩擦力是动力，测力计的拉力是阻力，测力计的读数即为木块所受静摩擦力的大小；随着木块的运动，测力计对木块的拉力越来越大，但橡胶带仍能提供相应大小的静摩擦力保持木块处于平衡状态，这样就能动态地演示木块受到的静摩擦力逐渐增大的过程；当测力计的拉力继续增大，超过了木块所能提供的最大静摩擦力的大小时，木块就相对橡胶带发生滑动，这时，测力计的读数即为滑动摩擦力的大小。为了区分最大静摩擦力与滑动摩擦力，让测力计指针带动一纸质游标一起运动，游标穿在棉线上，靠摩擦可停在任一位置，这样，最大静摩擦力的位置由游标记忆下来，动摩擦力的大小由测力计读出。上述过程中，由于同步电机是恒速运转的，而且速度很小，仅为2×10[-2]m/s（皮带轮的直径Φ=4×10[-2]m，计算得v=rω=4×10[-2]×2π×5/60=2×10[-2]m/s），易于学生观察。这样就直观地演示了木块受到的静摩擦力从零逐渐增大到最大静摩擦力最后到滑动摩擦力的变化过程，克服了摩擦力这个难点，使学生对摩擦力认识清楚、全面。
二、制作方法
1.材料准备
①到电子元件店购一永磁同步电动机（参数为：220V，6W，5～6r/min，1.5NM，可使用交流220V永磁同步电动机系列，如49TYD-l型、TYC50B-3325型、49TYJ系列等）；②到工厂用1.5mm厚的冷轧铁板加工一430mm×278mm×100mm的标准机箱；③用尼龙棒（或其它可方便找到的材料）加工两个小飞轮；④选Φ=8mm×180mm的铜棒做轴（也可用磨床加工）；⑤做四个固定轴的支架（用压盖把轴套固定在小铁板上）；⑥到橡胶厂定做一宽度适宜的无缝环形橡胶带（也可用废弃的汽车内胎沿半径方向剪一个，打磨平整），橡胶带边缘用白漆间隔均匀地做上标记，便于学生观察木块与橡胶带的相对位置关系；⑦购电源线、开关、指示灯各一，可拆合页一对；⑧购一2N测力计（也可用实验室配备圆盘测力计替代），用薄铁板把测力计沿竖直方向固定，测力计下方固定一滑轮；⑨木块一个（质量依试验的结果而定，宽度与橡胶带相当，木块两侧钉上有机玻璃板，以防运动时滑落），木块底面打磨平滑，上表面粗糙，在上表面挖一圆孔，备放砝码用；⑩做一截面为“
”型铁片，长240mm，“”型铁片的水平部分支撑橡胶带，“”型铁片的竖直部分固定在机箱前面板上。
2.安装调试
（1）安装：图1为仪器的结构示意图，图2为仪器主视图。
1测力计铝质刻度板 2测力计弹簧 3测力计竖直支架 4定滑轮 5细绳 6合页 7橡胶皮带 8摩擦块 9传动轮 10指示灯 11电源开关 12轴 13轴套 14同步电机 15支架 16“”型皮带托架 17测力计水平支架 18白漆 19保险管座 20座垫 21测力计指针 22棉线 23游标
安装过程较简单，不再赘述。只是注意安装时要把机箱和测力计做成活动可插拔式（在机箱前面右下角处与测力计用合页相连），以方便移动、放置。
（2）调试：①连接好机箱与测力计，调整仪器水平；②调整轴套位置，使轴转动灵活，调整“”型支撑架，使飞轮的上边沿与“”型架的水平面相平；③挂好橡胶带，调整飞轮的位置，使橡胶带转动平稳；④调整测力计的示数为零，把细线一端系在测力计弹簧下端的羊眼圈上，另一端穿过测力计的限位孔，绕过定滑轮后系在木块上，把木块放置在橡胶带上，打开电源开关，重新调整橡胶带与“”型支撑架的位置，使木块运行平稳。
三、使用方法
1.把木块轻放在橡胶带上，使木块与测力计的连线松弛，打开开关，电机开始缓慢转动，连线张紧时，木块已与橡胶带一起匀速运动，二者相对静止说明此时的摩擦力为静摩擦力，测力计的示数即为静摩擦力的大小；随着木块的运动，测力计的读数越来越大，说明静摩擦力不断增大，最终观察到测力计的读数有一个最大值，此即为最大静摩擦力的大小，游标把此位置记忆；随后木块与橡胶带发生相对滑动，测力计读数略有减小并保持某个数值不变，此即为滑动摩擦力的大小。对同一物体而言，最大静摩擦力略大于滑动摩擦力，说明最大静摩擦因数μs略大于滑动摩擦因数μ。
2.调换木块的粗糙面与橡胶带接触，观察这次的最大静摩擦力、滑动摩擦力的大小均比上次略有增大，说明最大静摩擦力、滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关；换用木块的较小的接触面与橡胶带接触，观察测力计变化相同，说明摩擦力的大小与接触面积无关。
3.在长方木块上加一砝码，即增大了压力，这时测力计的读数明显增大，说明最大静摩擦力、滑动摩擦力的大小均与压力有关。
四、实验效果
使用本仪器演示摩擦力，实验现象明显、直观，有助于学生对摩擦力形成清楚全面的认识。另外，本仪器结构简单，成本低廉，易于制作，推广价值较大。