利用DIS传感器研究摩擦力速度温度三者关系

李进

摘 要：文献1中介绍了一个使用光电门等器材探究滑动摩擦力与速度关系的实验，让广大教师对摩擦力有了更深入的认识，但受当年的技术局限，原实验操作繁琐，且数据处理量太大.随着传感器的普及，现在使用传感器能精确地直接测量出摩擦力、速度以及温度的大小，并通过更加便捷的数据分析得出摩擦力、速度、温度三者间的“微妙”关系.

关键词：中学物理;创新实验;滑动摩擦力;传感器

文章编号：1008-4134（2019）18-0052中图分类号：G633.7文献标识码：B

1 问题的提出

在中学物理教学中，探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关时，学生常常会猜想滑动摩擦力大小与相对速度有关.文献1中通过实验对于这一问题进行了研究，先用两个相距2cm的光电门测出一个木制滑块在铅轨上滑动的相对速度和加速度，再用牛顿第二定律算出摩擦力大小，通过收集数据，分析得出滑动摩擦力的大小随相对速度的增大而先减小后增大的结论.原实验虽然设计巧妙，但是也存在不足之处：一是测量滑块的瞬时速度误差大，而且间接计算摩擦力的大小会致使数据失实;二是因技术受限，对摩擦生热导致摩擦力大小随速度变化的研究停留在猜想阶段;三是对于影响滑动摩擦力大小的其它因素未有效控制，研究对象单一，偶然性大等.笔者将蓝牙无线分体式位移传感器和力传感器安装在自制的装置上，不仅可以直接测量出摩擦力、速度以及温度的大小，并且借助软件即时显示各物理量间的关系图像.

2 实验设计与探索

2.1 实验原理

实验装置如图1所示，本实验的主要部件为摩擦片和摩擦轨道，在水平工作台的右端安装一个定滑轮，让细绳绕过定滑轮，细绳一端吊有重物1，另一端连接在摩擦片上，拉动摩擦片在摩擦轨道上加速向右滑动.改变摩擦片的材质，依次更换为铝箔、亚克力板和硬纸片等，多次重复实验.

与摩擦片一起移动的还有位移传感器的移动端和红外线温度传感器.位移传感器的移动端与放置在摩擦轨道上的位移传感器固定端配合工作能准确地记录摩擦片的速度变化;红外线温度传感器能实时记录摩擦片的温度变化.力传感器与摩擦轨道连接，待摩擦片在摩擦轨道上滑动时，力传感器可以显示两者间的摩擦力大小.

用DIS系统的通用软件采集数据，并分析生成摩擦力大小随时间变化的图像、速度随时间变化的图像以及温度随时间变化图像.通过对图像的分析和进一步处理，可以得出滑动摩擦力与相对速度的关系以及滑动摩擦力与温度的关系.

2.2 实验器材

朗威·微力传感器LW-F803（规格：-2N-+2N）（如图2所示）、朗威·分体式位移传感器LW-F831（量程：0cm-2cm）（如图3所示）、朗威·红外线温度传感器（如图4所示）、无线收发器、数据采集器、水平工作台（高度2m）、自制有轮支架式摩擦轨道（如图5所示）、自制摩擦片架（如图6所示）、定滑轮、重物、细绳、摩擦片（木片、橡胶片、钢片）等.

2.3 实验步骤和数据记录

（1）如图1所示安装实验装置，将洁净的铝箔摩擦片安装在摩擦片支架上，在实验开始之前，用酒精清洗摩擦轨道的摩擦面，并晾干待检.将分体式传感器固定端安装在摩擦轨道上，分体式传感器移动端和

红外线温度传感器安装在摩擦片的支架上，并连接好

细绳和重物等，用电子秤测量摩擦片、支架、支架上的传感器、细绳和重物1（简称加速物）的总质量m，实验中总质量保持不变.

（2）打开DIS通用软件，调试好参数，力传感器匀速拉动轨道及其加载物，此时力传感器对轨道拉力等于水平工作台对轨道的滚动摩擦力，操作电脑上的软件电子校零力传感器从而消除轨道受水平工作台的滚动摩擦对实验的影响，再固定在水平工作台上.

（3）释放挂在细绳右端的重物1，同时操作DIS通用软件，点击开始，采集数据，再根据数据生成摩擦力1、相对速度1和温度1随时间变化的图像（如图7所示）.

（4）将铝箔摩擦片换为亚克力板，重复以上实验.由采集到的数据，生成摩擦力2、相对速度2、温度2随时间变化的图像（如图8所示）.从而分析不同材料的滑动摩擦力与相对速度的关系.

（5）将亚克力板摩擦片更换为硬纸板摩擦片，再重复以上实验.由采集到的数据，生成摩擦力3、相对速度3、温度3随时间变化的图像（如图9所示）.

2.4 实验结论

（1）如图10所示，对上述实验数据和图像分析处理可以发现确实存在原实验所说 “滑动摩擦力的大小与相对速度有关，滑动摩擦力的大小随相对速度的增大而先减小后增大”的现象.

（2）由图11所示摩擦力随时间变化的图像可以看出，原实验中木块在铅轨上运动的距离短，观察到的只是一种木块匀加速状态下的特殊现象，其结论值得商榷.

再由图12所示，物体在另一个物体上滑动时，其运动状态绝非匀加速这么简单，是一个复杂的变加速运动状态.物体的速度变化随合外力变化而变化.换言之，在另一个物体上滑动物体的速度变化受到摩擦力的影响.即速度大小与摩擦力大小有关，且为直接关系.致于摩擦力大小受到速度大小的影响只是通过温度变化实现的间接关系，因此接下来要分析摩擦力

与温度的关系以及温度与速度的关系，才能厘清三者的关系.

（3）由如图13所示的温度与速度的关系图像可知：三種材质的摩擦片与不锈钢轨道摩擦时，摩擦片的速度越大，摩擦片的温度越高.

（4）由如图14所示的摩擦力与温度的关系图像可知：三种材质的摩擦片与不锈钢轨道摩擦时，摩擦片的温度越高滑动摩擦力越大.

3 理论分析

由结论1可知摩擦力、温度、速度三者存在相互关系，再由结论2速度越大温度越高和结论3温度越高摩擦力越大可以推理：物体运动中克服摩擦力做功，机械能转化为内能，温度升高，摩擦力增大，物体受到前行方向上的合外力导致物体减速，即原实验所说的现象“速度减小摩擦力增大”，事实上正好相反，是“摩擦力增大速度减小”.速度减小，物体做功的功率减小，也就是单位时间内机械能转化为内能的量减少了，由于摩擦片和摩擦轨道之间、摩擦片与环境间存在温度差，会不断对外放热，因此摩擦片的温度随速度减小而下降，致使摩擦力因降温而减小，物体受到前行方向上的合外力导致物体再次加速，温度升高，如此循环，如图15所示.

由于摩擦片的材料的传热性和比热容不同，摩擦片的温度变化有差异.另外，摩擦片的内能会累积，运动的时间越长，温度越高，对摩擦力的影响就越大，所以从上面的图像中可以看到摩擦力变化呈现周期性加剧的特点.超高温下会有更多的特性值得研究.

通过以上分析，可以知道滑动摩擦力与相对速度的关系不是直接的，而研究摩擦力与温度的关系更有实际价值.生活生产中的应用价值为可以通过比较不同材料的摩擦力大小受到温度影响的不同，来选取制造摩擦片的材料.

在中学物理教学中，对学生提出的一些疑问，教师积极研究可以感染学生，培养学生的科学精神和素养.通过创新实验，可以帮助学生复习力与运动的关系、机械能与内能的转化以及物质属性等多个知识点.有利于学生建构知识网络，培养综合分析问题的能力.

参考文献：

[1] 居津.滑动摩擦力与相对速度真的无关吗？[J].物理教学，2011，33（02）：52-53.

[2] 袁菁，徐欣锦，曹玉宝.对摩擦力的再研究——探究最大静摩擦力与滑动摩擦力的相互关系[J].实验教学与仪器，2016，33（Z1）：51-52+69.

[3]李启成.滑动摩擦力与相对速度的关系讨论[J].应用能源技术，2004（06）：9.

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