研究滑动摩擦力.doc

目 录摘要.1前言.11 滑动摩擦力三要素.21.1 确定滑动摩擦力的作用点.21.2 确定滑动摩擦力的方向.21.3 确定滑动摩擦力的大小.22 探究影响滑动摩擦力因素的实验.22.1 实验器材及原理.22.2 对滑动摩擦力的定量观察.32.3 探究滑动摩擦力与正压力的关系.42.4 探究滑动摩擦力与接触面积的关系.52.5 探究滑动摩擦力与接触面性质的关系.52.6 滑动摩擦力与速度的关系.53 关于滑动摩擦力的几种比较典型的错误观念.63.1 认为接触面的正压力都是由于物体的重力引起的. .63.2 认为物体间的滑动摩擦力的大小与物体间的相对运动速度大小有关.73.3 认为物体间受的滑动摩擦力的方向总与物体运动的方向相反.73.4 认为静止的物体不可能受滑动摩擦力的作用.84 教学中关于“探究滑动摩擦力大小”实验的改进.94.1 实验器材.94.2 实验探究.94.3 实验效果.95 日常生活中的滑动摩擦力.10结束语.11参考文献.11致谢.11作者简介12声明.13广西师范学院2012届本科毕业论文研究滑动摩擦力摘 要在多种物理场景下探究滑动摩擦力，通过各种实验探索和验证影响滑动摩擦力的因素，纠正学生对于滑动摩擦力的几种比较典型的错误观念和教学中关于滑动摩擦力不够客观的教法，并解释日常生活中有关滑动摩擦力的一些问题.关键词滑动摩擦力；实验；错误观点；生活中的滑动摩擦力Study of sliding frictionPrimary Education Major LAO Li-xianAbstract：In a variety of physical situations of sliding friction force, through a variety of experiments exploring and verify the effects of sliding friction factor, correction of students for the sliding friction force of several typical wrong ideas and teaching methods of sliding friction is not objective, and the interpretation of daily life are related to some of the problems of sliding frictionKey words：Sliding friction;Experiment;Wrong view;In the life of sliding friction前言摩擦力这一概念从小学到大学一直提到，然而滑动摩擦力对大多数学生来说都是比较抽象和难以把握的，而且有些教师在教学中也会由于引导不当而让学生产生不正确的观点.例如认为物体间的滑动摩擦力的大小与物体间的相对运动速度大小有关.这是由于在日常生活中拉动一物体在水平面上加速运动时需要的力大，并且速度越大越费力.这说明学生在分析滑动摩擦力上认识不足和不够客观，并且容易凭主观臆断.在初中物理教学中，“探究滑动摩擦力大小”实验是利用控制变量法.在运用控制变量法研究滑动摩擦力大小跟接触面的粗糙程度的关系时，为了得到粗糙程度不同的两表面，不少教师使用了毛巾和玻璃板，但是，在改变了粗糙程度的同时，也改变了两接触面的材料（毛巾和玻璃板表面不是同一种材料）.这里就有2个变量（材料和粗糙程度不同），与控制变量的思想相悖.这说明了教师在教学中关于滑动摩擦力的教法不够客观.生活中的处处存在滑动摩擦力，如我们推箱子，机车、汽车、火车、飞机等高速行驶和煞车等，都受滑动摩擦力的作用.如何减少和利用滑动摩擦力，值得我们进一步去研究.1 滑动摩擦力三要素1.1 确定滑动摩擦力的作用点相互接触且接触面粗糙的两物体间发生相对滑动时，若存在相互挤压的压力，则有滑动摩擦力产生. 大处大，小处小，为零处也为零.这一结论对相互接触且有相对滑动的任两物体，以及将此两物体分割成众多质点时也成立.可见，的作用点始终和的作用点重合.1.2 确定滑动摩擦力的方向物体所受滑动摩擦力的方向与该物体的相对运动方向相反.1.3 确定滑动摩擦力的大小滑动摩擦力的大小由公式确定，其中是滑动摩擦系数，是正压力.2 探究影响滑动摩擦力因素的实验2.1 实验器材及原理实验需要的器材有DIS实验系统、带小车的木板、滑块、砝码、铁架台等.实验原理如图1,将力传感器固定在铁架台上,用绳子将木制滑块与力传感器相连.连接力传感器与滑块的绳子最好用金属丝,这样所得图像产生的波动较小.滑块下面放带长木板的小车,用手对小车施加水平拉力F.滑块在水平方向上受到2个力的作用:力传感器的拉力和木板的摩擦力.由于滑块始终处于静止状态,根据二力平衡原理,力传感器示数等于滑块所受摩擦力的大小1.2.2 对滑动摩擦力的定量观察将实验仪器按图1所示连接,用手对木板施加水平拉力,力度由小而大,使木板相对滑块滑动后持续5 s左右.启动DIS绘图功能,可得到摩擦力随时间变化的图像(图2) 1.图1探究影响滑动摩擦力的因素的实验装置图2摩擦力变化图像实验结果表明，从图2中可以看出,摩擦力先增大再减小到某一数值,然后基本保持不变.点击工具栏中的选择区域第3个图标(见图2圆圈处),选择图像中水平的一段,点击“图线分析”“其他处理”“平均值”按钮,可求得滑动摩擦力平均值(如图2).从图中可看到,物体所受的最大静摩擦力 N,滑动摩擦力=0.840N,2.3 探究滑动摩擦力与正压力的关系先来探究在正压力变化时滑动摩擦力的变化情况.因为滑块放在水平桌面上,故接触面之间的正压力等于滑块的重力.通过增减砝码，改变滑块的重力,并用力传感器测出滑块的总重力.重复以上实验,在Excel中记录数据如表1所示.序号/N/N11.520.36922.500.61933.480.79644.471.03855.451.212表1滑动摩擦力与正压力的关系根据表1的数据，做成-线性图像, (图3所示)图3 -线性图像从图中可以看到,所得-图象线性拟合程度很高,显然滑动摩擦力的大小在误差允许范围内与正压力大小成正比.2.4 探究滑动摩擦力与接触面积的关系为了保证接触面性质和平放时相同,在滑块侧面贴上同样的白纸.分别用底面和2个侧面作为摩擦面(此时应注意调节力传感器的高度,使绳子保持水平),获得数据如表2所示.从表2中可以看出,在接触面积有较大变化时,滑动摩擦力大小基本保持不变,说明滑动摩擦力大小与接触面积无关.接触面/2/N底面800.787侧面1400.756侧面2320.768表2滑动摩擦力与接触面积的关系2.5 探究滑动摩擦力与接触面性质的关系将滑块平放,分别在光滑的白纸、报纸和棉布上面进行实验,获得数据如表3所示.材料/N/N/白纸3.470.7810.225报纸3.470.9670.279棉布3.471.5340.442表3滑动摩擦力与接触面性质的关系从表3中可以看出,相同条件下白纸、报纸、棉布所对应的滑动摩擦力依次变大,即证明了滑动摩擦力的大小与接触面的性质有关.2.6 滑动摩擦力与速度的关系最后探究滑动摩擦力与接触面相对运动速度的关系.由于匀速运动的位移-时间图像为倾斜的直线;反之,如果物体运动的位移图像为曲线,说明物体做变速运动.因此可以用位移传感器记录滑块的位移图像,通过位移图像来研究物体运动的速度.将位移传感器发射端固定在木板上,将位移传感器接收端固定在铁架台上,使其与发射端保持正对.用手拉木板,使木板速度由慢到快，同时得到位移传感器记录下的位移图像与力传感器记录下的拉力图像,如图4所示1.图4位移传感器与力传感器记录的图像由滑块运动后的位移图像为曲线可以看出,木板和滑块相对滑动速度逐渐变大,而由力的图像可以看出滑动摩擦力大小基本保持不变,从而验证了滑动摩擦力大小与接触面相对速度无关1.通过上面的一系列实验可得，滑动摩擦力的大小与正压力大小成正比，且与接触面的性质有关，与接触面积和接触面相对速度无关.3 关于滑动摩擦力的几种比较典型的错误观念3.1 认为接触面的正压力都是由于物体的重力引起的不少同学在求解滑动摩擦力时往往把重力都当作正压力代入求解， 造成这一误解的根本原因是没有理解正压力的物理意义，而是只死记书上典型例题中正压力等于重力的情形，生搬硬套，造成错误.只有在水平面上，竖直方向上只受重力和支持力，且二力平衡时，物体间的正压力才等于重力. 如图5所示，物体与墙是接触的，但其对墙壁的压力是0而不是.图53.2 认为物体间的滑动摩擦力的大小与物体间的相对运动速度大小有关这是由于在日常生活中拉动一物体在水平面上加速运动时需要的力大，并且速度越大越费力.其实滑动摩擦力，只与物体间的动摩擦因数和物体间的正压力有关. 如图6所示，一个匀质木板长为L重为G，放在水平桌面上（假设桌面足够长），在一水平推力的作用下，先加速运动到A，然后匀速运动到桌子的右端，最后推出桌面一部分，但木板未掉下来.问：在这一运动过程中，木板受到的摩擦力怎样变化2？在回答这类问题时，很多同学认为物体在加速运动的过程中所受的摩擦力最大，匀速运动过程次之，当木板被推出桌面后，随着木板和桌面间的接触面积的减小，其所受的摩擦力也逐渐减小. 其实这是不对的，因为木板在向右运动的过程中， 在竖直方向上始终只受重力和桌面支持力的作用，即， 木板与桌面间的粗糙程度和接触材料都没有改变，即不变，依据公式可知，木板所受摩擦力在整个过程中是恒定的，即.图63.3 认为物体间受的滑动摩擦力的方向总与物体运动的方向相反造成这一误解的原因是在中学物理中同学们所遇的大多数物理情景都是以地面和地面上的固定物体为参考系的，而滑动摩擦力是以对方为参考系的，故不少同学对“滑动摩擦力的方向与物体相对运动方向相反”这句话中的“相对”二字的含义理解不深刻.“相对”既不是相对地面，又不是相对观察者，而是相对跟它接触的、使它产生滑动摩擦力的物体，即相对于施力物体.其实，滑动摩擦力既可以充当阻力，也可以充当动力.如图7所示，在长木板A上放着一块小木板B，当长木板A在拉力F的作用下向右做加速运动时，木板B随长木板A一起向运动，但木板B的速度小于A的速度.这种情况下，木板B受的摩擦力的方向，就与其运动方向相同.因为虽然木块B的运动方向是向右的，但它相对于长木板A的运动方向却是向左的.图73.4 认为静止的物体不可能受滑动摩擦力的作用造成这一错误认识的原因在于通常我们说一个物体是静止的，都是相对于地面参考系而言的，而滑动摩擦力是在两个相对运动物体间产生的.例如图8所示，有一固定在地面上的木板A，上面放一个重=10N的物体B，并在=8N的拉力作用下运动. 若A、B间的动摩擦因数=0.5，问：B对A是什么摩擦力，其大小是多大3？ 木板B往右运动，那么它必定受到一个往左的滑动摩擦力.我们知道，作用力与反作用力总是同时存在，互为依存的，无“主动”与“被动”或“原因”与“结果”之分；作用力与反作用力是分别作用在两个不同的物体上的，虽然大小相等方向相反，且不会抵消.根据图8我们可以知道这个往左的滑动摩擦力是A给B的,同时B也给A一个往右的滑动摩擦力，它们关系为作用力与反作用力.所以这里木板A虽然是静止的，但受到的是B对A的滑动摩擦力， 其大小=5N.图8总之，造成以上错误认识的根本原因是学生对滑动摩擦力概念的理解不够全面和不够深刻，没有对研究的对象加以认真分析.只有深刻理解滑动摩擦力的“阻碍物体相对运动”，学生才能在分析有关滑动摩擦力问题时不出错.4 教学中关于“探究滑动摩擦力大小”实验的改进在初中物理教学中，“探究滑动摩擦力大小”实验是利用控制变量法的典型实验.然而，在现行课堂教学中，不少教师对该实验的环节设置难以把握好. 该实验运用了控制变量法来进行探究.所谓控制变量法，就是在研究多因素问题时，只改变多因素中的一个量，而控制其他所有量都不变的研究方法.在运用控制变量法研究滑动摩擦力大小跟接触面的粗糙程度的关系时，大部分教师是这样做的：控制一些量不变：运用同一木块进行实验，控制木块对两接触面的压力相同.改变1个量：让木块在不同表面上匀速运动.为了得到粗糙程度不同的两表面，不少教师使用了毛巾和玻璃板，但是，在改变了粗糙程度的同时，也改变了两接触面的材料（毛巾和玻璃板表面不是同一种材料）.这里就有2个变量（材料和粗糙程度不同），与控制变量的思想相悖.该实验可以从以下几个方面进行改进：4.1 实验器材1.器材的选取和改进：可选用纸箱（如医药瓶包装箱），将其拆开做成尺寸合适（60 cm25 cm）的纸板，用胶带去黏其中一光滑的表面，可多黏几次，使表面变得更粗糙.这样，纸板就变成了一面较光滑另一面较粗糙的纸板了.2.其他器材：弹簧测力计、带挂钩的木块3.4.2 实验探究1.观察纸浆板2个表面的粗糙程度（学生可用手去感触两表面的粗糙程度）.2.实验探究：用弹簧测力计拉动木块分别在纸浆板的两表面上匀速前进，并读出2次弹簧测力计的示数和，进而分析数据，得出结论.4.3 实验效果1.2次弹簧测力计示数和差别明显.2.木块在纸浆板上运动时，容易实现匀速直线运动，弹簧测力计指针来回摆动不大，便于读出准确数据.木块在粗糙木板上运动时，弹簧测力计指针来回摆动明显，甚至无法读出正确数据.3.学生在进行对比实验时，只有1个变量，其他量都没有改变，与控制变量的思想相吻合.通过该实验，学生能准确地依据物理现象领悟物理规律.实验器材的改进有利于学生科学素养的培养，有利于三维目标的落实.该实验改进后的优点，器材制作简单，材料价格低廉，条件较差的学校同样能准备一定规模的实验器材.实验准备时间大大缩短，同时还能激发学生和教师废物利用的环保意识和创新意识，拉近物理学与生活的距离，符合“利用身边的物品进行物理实验”的理念.5 日常生活中的滑动摩擦力我们在生活中，时时与滑动摩擦力打交道，它几乎无处不在，如我们推箱子，机车、汽车、火车、飞机等高速行驶和煞车等，都受滑动摩擦力的作用.如何减少和利用好滑动摩擦力就显得十分重要.当我们推着沉重的箱子前进时，会感到很累，因为此时有一个摩擦力阻碍着箱子向前运动，即滑动摩擦力.那我们怎么样减少它呢？我们可以在箱子下面垫一些圆木，或干脆用小车直接拉走这样就可以省去很多力了.润滑剂是一种黏性液体，将它涂敷在两个相对滑动的固体表面上，就在固体表面之间形成一层薄液体层，将固体与接触面隔开.于是将固体之间的摩擦转化为液体层内的摩擦现象，是滑动摩擦力大为减小.这种方法在技术上经常采用4.机车、汽车、火车、飞机等在高速行驶时，空气之摩擦力或空气阻力就变得很重要，其克服的方法为将运动体作流线型化的设计.可是要使其能安全煞车停止，就又必须依靠摩擦性质作出妥善的煞车设计.大家都可能注意到火车或游览车、货车等较重车辆煞车停止时，都会发出巨大类似叹气之响声.这一响声是来自动力煞车系统，於煞车完成后释放压缩空气所造成.动力煞车系统有真空动力煞车系统与压缩空气动力煞车系统两种，它们都能造成巨大压力，并将其传递到轮子之煞车鼓(或煞车碟)的接触面积上.因为压力强度越大正向接触力就越大，此接触方便产生强大的摩擦力，终使车轮能於短时间内停止滚动，而改以滑动摩擦的方式来阻止车子之前进.上面生活中的小例子可以看出滑动摩擦力对我们的日常生影响很大，我们可以利用各种方法减少或利用它，更好地为我们服务.结束语滑动摩擦力是在两个相互接触且有挤压的不光滑物体之间,当它们有相对运动时,就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力.然而滑动摩擦力对大多数学生来说都是比较抽象和难以把握的，而且有些教师在教学中也会由于引导不当而让学生产生不正确的观点.我在本文中，首先分析滑动摩擦力的三要素，其次用实验探究影响滑动摩擦力因素，之后分析几种关于滑动摩擦力的比较典型的错误观念，然后对教学中关于“探究滑动摩擦力大小”实验进行了一些改进，最后分析了一些日常生活中比较普遍的滑动摩擦力.希望它能有助中小学学生对滑动摩擦力的理解，和对教师的教学滑动摩擦力提供一定的参考价值.当然，本文中由于文章篇幅有限在分析滑动摩擦力的比较典型的错误观念时，例子还是不够全面.由于物理实验对器材的要求，在用实验探究影响滑动摩擦力因素时，不是所有的学校都有条件能做实验.参考文献1 王