关于磨擦力实验的新问题.doc

第22届全国青少年科技创新大赛参赛项目关于摩擦力实验的观察与探究图1在中学教科书中，对静摩擦力的描述为“静摩擦力的增加有个限度。静摩擦力的最大值Fmax在数值上等于物体刚刚开始运动时的拉力。” 在从静止到滑动状态变化过程中，多数教科书中描述是：“当拉力达到某一数值Fmax时物体（木块）开始运动，此时拉力会突然变小。”也就是说Fmax F0由于摩擦力产生在两物体的接触面，因此直接测量是困难的，在实验中往往都是根据二力平衡的原理，测量摩擦力的平衡力。这就要求在测量中物体要处于平衡状态：对于测静摩擦力，物体应是静止的，在拉力作用下，好像是具有运动的趋势，但事实上既没有位移、也没有加速度产生，因为此拉力被摩擦力平衡了。本实验设计中，拉力就是细线拉物块的力，或者说是传感器通过细线对物块的拉力，等效得出摩擦力的大小。因此测静摩力的操作要点是物体要静止，缓慢地、准静态地增大拉力，才能出现最大静摩力的时刻；至于滑动摩擦力的测量，则操作的要求是保持物体的相对运动是匀速的，这就是人们千方百计地设计各种方法，以使在测量中使物体运动平稳。我们采用直流稳压电源和直流电机，大比例减速后匀速拉动物体移动。在用“朗威牌DIS实验室”系统中的力学传感器测量摩擦力观察图象后发现，滑动摩擦力的大小与压力大小成正比例的实验验证结果十分符合预期。图2实验条件为二个木材（刨平、直纹）间的滑动摩擦，下面木板水平放置。实验图如图一。木块质量为200g，后分别加上质量为200g、400g的砝码，则实验物体的总质量分别是：200g、400g、600g。当初始拉力为0的时，有明显的“最大静摩擦力”存在的证据，如附图2中红、粉、棕三条线；当未移动时线略有拉力，拉线绷直，“最大静摩擦力”明显变小，见浅蓝、灰、蓝三条线；当未移动时线上拉力达1/2滑动摩擦力以上时，这时线的再伸长量十分有限，“最大静摩擦力”与滑动摩擦力就相差无几了。在接触表面、放置状态、压力大小这三个条件不变的状态下，从图2中看到，滑动的一瞬间的Fmax 的大小却不相同，这在物理学定义的严格要求是一个矛盾的现象。我们开始研究最大静摩擦力与哪些因素有关。实验方案一将位移传感器和力传感器进行同步测量。其中图3是拉线刚拉直时的拉力/位移对比图，起始拉力为0.2N，从位移图样可以读出，在1.481.64s之间，滑块的位置从62.7cm移动到63.9cm，在这期间，拉力最大示数为2.4N，平均滑动摩擦力为1.3N。图4图3图4是拉力接近滑动摩擦力时的拉力/位移对比图，起始拉力为0.9N，从位移图样可以读出，在整个过程中，滑块的位置移动小于0.2cm，在这期间，拉力最大示数为1.5N，平均滑动摩擦力也近1.3N。由这个实验有理由相信，“最大力静摩擦力”是由于之前实验条件所限，测量时未能分清物体在发生滑动一瞬间出现的加速度。如上图实验方式，连接传感器与木块之间的拉线有微小伸长，在拉动的一瞬间有一个随下面木板的运动的瞬间过程；当线的拉力达到一定大小后，木块减速直到停止运动，这时线的拉力就是Ff +ma，而ma就是导致出现所谓“最大静摩擦力”现象出现的原因，随着起始拉力的增加，木块微小运动的范围减小，自然就出现了“最大静摩擦力”与滑动摩擦力差距变小的现象。为了验证这个猜想，对又进行了如下实验设计，用不同的速度分别拉动下面的木板或传感器，使两者之间出现从静摩擦到滑动摩擦的过程，观察“最大静摩擦力”大小是否有变化。实验开始前状态照片实验过程结束后状态照片图五实验方案二，拉线均从松驰状态开始，以不同的起始相对速度测量“最大静摩擦力”的变化规律。实验装置见图五。从图六通道1位移传感器可以读出，从22.6s内的位移是0.018m，木块移动速度为0.03m/s，没有出现最大静摩擦力现象！平均摩擦力示数为1.5N。图七图六从图七通道1位移传感器可以读出，从1.41.7s内的位移是0.029m，木块移动速度为0.1m/s，开始出现最大静摩擦力现象！在36s内平均摩擦力示数为1.5N。在图七位移图上4.44.6s之间有一个位置变化，同样在力传感器上也有一个新峰值。实验方案三，改成将力传感器固定到轨道小车上，拉动力传感器，重新进行实验方案二。得到的结果十分类似。实验方案四，用表面粗糙的木条和木块进行实验方案二，有明显的最大静摩擦力现象，但实验后的表面有新出现的木屑，应属于结构破坏所需的力量变化。我们可以推测，橡胶类柔软表面也可能有这种现象。从汽车工程学得到的经验，汽车的刹车防抱死系统（ABS）工作时，能显著缩短同等情况下的刹车距离，为此仔细观察汽车的刹车时在地面上的痕迹，发现柏油路面上的刹车印中的柏油有明显的热融现象；在用摩托车在水泥和柏油路面上进行高速刹车实验后发现，摩擦部位温度在100以上，是否因温度变化而导致刹车距离的变化呢。今后将继续进行实验。我们进行了简单的推算：一辆总质量2103千克的轻型汽车，以15m/s的速度在平直路面上行驶，急刹车车轮与地面摩擦的能量有2.25105J。车轮橡胶与路面的柏油、水泥等都不是热的良导体，在刹车的2、3秒内没有把这样大的热量传递走的可能性，车轮“抱死”后在摩擦部位产生高温是有可能的。在赛车比赛过程中和动作影片中也能看到车辆刹车轮胎摩擦冒出“青烟”，可以判断，在大力制动过程中，汽车轮胎在“抱死”时接触地面部分会产生高温！这种高温使轮胎体强度变小，使