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不同因素对动摩擦系数的影响探究

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  摘 要:通过具体的实验来探究影响不同因素对动摩擦因数的影响,即分别开展变量为温度、体积和材料的实验来探究这三种变量对动摩擦因数具体的影响。实验结果表明:随着温度的上升,动摩擦因数会明显下降;不同材料之间的动摩擦因数变化很大;体积对动摩擦因数没有明显的影响。
  关键词:动摩擦因数;温度;体积;材料
  中图分类号:TB     文献标识码:A      doi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.17.102
  0 引言
  在中学阶段介绍的动摩擦力计算公式是μ=f/N(f为动摩擦力,N为正压力,下同),但是这个公式仅仅是一个粗略计算摩擦力的经验公式[1],并不能反应动摩擦因数受哪些变量的影响,随着研究的深入,摩擦力的公式会变得越来越复杂。动摩擦因数其实受很多因素的影响,这可以用一个多元函数来表示:μ=f(T,ρ,P…)(T为温度,ρ为密度,P为压强,下同)。根据现有公开资料,几乎没有具体研究不同变量对动摩擦因数影响的文献资料。本文根据这一情况,通过实验的手段,具体研究接触物温度、施压物体积、不同接触材料等变量对动摩擦因数的影响,为动摩擦因数的研究提供数据支撑。
  1 实验原理及系统
  本文探究三种变量(即温度、体积和材料)对动摩擦因数的影响,并采用相似的实验系统,即安排上下两个不同物体,通过测出它们之间的支持力N、摩擦力f,再根据公式μ=f/N求出动摩擦系数μ。
  1.1 探究温度对摩擦系数影响的系统及原理
  本实验探究实验温度分别为:-18℃、常温(约15℃)、大火加热铁板3分钟(约300℃),让铁板在这三个温度之间变化。本实验系统主要的实验对象是两块相同的铁板。
  第一次将两块铁板放入冰箱冷冻柜中足够久的时间,目的是使其温度降为-18℃。然后将一块铁板置于水平地面,另一块水平放置在第一块铁板上,用弹簧测力计水平拉动上面的铁板,测出其间的滑动摩擦力f,再测出铁板的重力N(其值即为两块板之间的压力),最后根据公式μ=f/N,求得动摩擦系数μ。
  第二次将两块铁板置于室内足够久的时间,目的是使其温度与室温一致,约为15℃。将一块铁板置于水平地面,另一块水平放置在第一块铁板上,用弹簧测力计水平拉动上面的铁板,测出其间的滑动摩擦力f,再测出铁板的重力N(其值即为两块板之间压力),最后根据公式μ=f/N,求得動摩擦系数μ。
  第三次将两块铁板置于煤气灶上,开大火灼烧3分钟,目的是将铁板温度加热至约300℃。将其置于水平地面,另一块水平放置在第一块铁板上,用弹簧测力计水平拉动上面的铁板,测出其间的滑动摩擦力f,再测出铁板的重力N(其值即为两块板之间压力),最后根据公式μ=f/N,求得动摩擦系数μ。
  1.2 探究材料对摩擦系数影响的系统及原理
  本实验探究的不同材料分别为:木板、铁板。分别让木板与铁板上下叠放并让它们进行相对运动,通过测出两板之间的压力和摩擦力,求出动摩擦系数μ。本实验主要对象是两块铁板与一块木板。
  第一次将木板置于水平地面上,取一块铁板水平放置在木板上,用弹簧测力计水平拉动上面的铁板,测出其间的滑动摩擦力f,再测出铁板的重力N(其值即为两块板之间压力),最后根据公式μ=f/N,求得动摩擦系数μ。
  第二次将一块铁板置于水平地面上,取另一块铁板水平放置在第一块铁板上,用弹簧测力计水平拉动上面的铁板,测出其间的滑动摩擦力f,再测出铁板的重力N(其值即为两块板之间压力),最后根据公式μ=f/N,求得动摩擦系数μ。
  1.3 探究体积对摩擦系数影响的系统及原理
  本实验探究的变量为体积,体积分别为V1(320g砝码+740g铁板的体积)与V2(320g纸张+740g铁板的体积),V2>V1。将不同的物体堆叠在一起,测出其整体所受摩擦力,最终求出动摩擦系数μ。本实验主要对象为:740g铁板、320g砝码、320g纸张。
  取重320g的砝码及铁板一块(740g),将砝码置于铁板上并固定住,铁板置于水平地面上,用弹簧测力计水平拉动铁板,测出摩擦力f,最后根据公式μ=f/N,求得动摩擦系数μ。
  取重320g的纸张及铁板一块(740g),将纸张置于铁板上并固定住,铁板置于水平地面上,用弹簧测力计水平拉动铁板,测出摩擦力f,最后根据公式μ=f/N,求得动摩擦系数μ。
  2 数据处理方法
  每组变量实验均重复进行五次,以减小偶然误差,然后将数据记录到Excel表格中,分别求出5次重复实验的动摩擦因数μ,最后将5次重复实验的动摩擦因数绘制成散点图。
  3 结果及讨论
  3.1 温度对摩擦系数的影响
  经过5次重复实验,得出铁板温度为-18℃时,平均动摩擦因数为0.223。
  经过5次重复实验,得出铁板温度为15℃时,平均动摩擦因数为0.124。
  经过5次重复实验,得出铁板温度约为300℃时,平均动摩擦因数为0.111。
  通过对比3组不同温度实验结果,发现温度对动摩擦因素有明显的影响。即随着温度上升,动摩擦因素不断下降。实验结果与本文实验前设想的结果相反,本文设想温度越高,分子运动越活越,接触面分子接触碰撞次数增加,摩擦力应该增大。
  3.2 材料对摩擦系数的影响
  经过5次重复性实验,得出两块钢板之间平均动摩擦因数为0.124。
  经过5次重复性实验,得出钢板与木板之间平均动摩擦因数为0.277。
  两块钢板的动摩擦因数明显地比钢板与木板之间的动摩擦因数小,这与本文实验前的设想一致,从这两种材料外表可以明显的看出:两块钢板之间接触面与钢板与木板之间接触面相比较为光滑,动摩擦系数小。
  3.3 体积对摩擦系数的影响
  经过5次重复性实验,得出体积为V1时,物体的平均动摩擦因数为0.252。
  经过5次重复性实验,得出体积为V2时,物体的平均动摩擦因数为0.250。
  通过两组不同体积的实验结果,体积对动摩擦因数的影响很小,几乎没有影响。本文实验前设想体积变大,受到空气浮力也会变大,导致接触面之间的正压力减小,动摩擦因数会减小。因空气密度较小,体积变化也较小,物体所受浮力变化也非常小,正压力变化不明显,故动摩擦因数的变化为几乎不变。
  4 结论
  本文开展了三个不同因素对动摩擦因数影响的实验,并都经过5组重复性实验,最后得出的结论如下:
  (1)温度对动摩擦因数有明显的影响,即随温度的上升而动摩擦因数下降;
  (2)材料对动摩擦因数有明显的影响,即接触面粗糙程度不同而动摩擦因数不同。本实验的结果表现为,铁板与木板之间的动摩擦因数明显大于铁板与铁板间的动摩擦因数;
  (3)体积对动摩擦因数几乎没有影响。
  5 展望
  根据本文开展的实验,初步得出了温度、体积和材料这三种变量对动摩擦因数的影响。未来,可以从两个方面进一步探究不同变量对动摩擦因素的影响,即:
  (1)设置更多温度梯度、更多不同材料之间的实验,进一步探究这些变量对动摩擦因数的具体影响;
  (2)探究更多变量(如湿度、振动和压强等)对动摩擦因数的具体影响。
  参考文献
  [1]方程.费恩曼物理学讲义[M].上海:上海科学技术出版社,2005.
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