滑动摩擦力

滑动摩擦力（共11篇）

滑动摩擦力 篇1

滑动摩擦力的基本定义为:从宏观的角度, 相互接触的物体发生相对运动时, 物体之间产生的阻碍这种运动的力;从微观的角度, 摩擦力实际上是互相接触的物体接触面上两侧分子之间的吸引力。

1 滑动摩擦力的本质

对于生活中普遍存在的力——摩擦力, 人们从很早就对其进行了研究, 对于摩擦力的本质, 存有不同的学说。

1.1 凹凸啮合说

15—18世纪, 科学家提出的一种关于摩擦本质的理论啮合说认为, 摩擦是因互相接触物体的表面粗糙不平而产生的。两个物体接触挤压时, 接触面上的凹凸部分会相互啮合。如果一个物体沿接触面滑动, 两个接触面的凸起部分会相碰撞, 产生断裂、磨损, 进而形成对运动的阻碍。

1.2 黏附说

黏附说是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦本质的理论。最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出, 他认为两个表面抛得很光的金属之间的摩擦力会增大, 可用两个物体表面充分接触时分子引力增大解释摩擦力。

自20世纪以来, 随着工业和技术的发展, 对摩擦理论的研究进一步深入。20世纪中期, 诞生了新的摩擦黏附论。新的摩擦黏附论认为, 无论多么光滑的两个接触面, 从原子的尺度看仍旧是粗糙的, 用放大镜观察可以发现其表面是凹凸不平的, 好像布满高峰和山谷, 就算经过车床加工的金属表面, 峰高也可达5μm。虽然经过仔细打磨, 峰高可减小至0.1μm, 但对于原子尺度而言, 其仍然是很大的。当两个物体的表面相互接触时, 实际上只有表面上凸起的区域是相互接触的, 这些区域的分子 (原子) 非常接近, 分子 (原子) 间存在非常强的相互作用力。当两个接触点发生相对滑动时, 势必要剪切、破坏原先所有的接触点, 使凸起部分发生断裂, 进而对物体的运动造成阻碍, 便产生了摩擦力。接触点以外的区域中, 分子 (原子) 间的间距较大, 相互作用力很弱, 与实际接触区域相比可忽略不计。

2 滑动摩擦力与接触面积的关系

中学物理教材中给出的滑动正压力摩擦力公式为:

式 (1) 中:N为接触面法向正压力;μ为动摩擦因数。

由式 (1) 可见, 滑动摩擦力大小与正压力成正比, 而与接触面积的大小无关。实际上, “接触面积”是表观上的接触面积, 并非实际接触面积。两物体表面接触时, 实际的接触面积远小于表观上的, 一般只有表观上的10-5~10-1.如果实际接触面积增加, 发生分子间作用的分子数也在增加, 则滑动摩擦力也会相应增加。压力的增加会使实际接触面积增加, 导致滑动摩擦力增加。

而如果压力不变, 对于一定的物体而言, 即使表现接触面积发生变化, 实际的接触面积也不会改变。因此, 宏观上表现为滑动摩擦力与接触面积无关。

3 影响动摩擦因数的因素

动摩擦因数μ实际上是一个简化的物理量, 其与物体表面的粗糙程度不是简单的线性关系。对于粗糙的表面, 接触面的凹与凸部分交错契合会使μ增大;但对于光滑表面, 由于实际接触面积与接触点间的黏结强度提高, μ也会增大, 出现“冷焊”现象。比如, 在制作光学器件时, 往往将两块光学镜片的接触面间打磨得非常光滑, 使之直接接触形成一个整体, 在光学工艺上被称作“光胶”, 实际上不存在任何胶, 只是利用了接触面间的光洁度。

3.1 材料性质对动摩擦因数的影响

分子或原子结构相近的材料互溶性较大, 易发生黏着, 导致动摩擦因数增大;而分子或原子结构差别大的材料互溶性小, 不易发生黏着, 则动摩擦因数一般比较小。比如, 钢铁与钢铁、木材与木材相接触的动摩擦因数会大于钢铁与木材。

3.2 温度对动摩擦因数的影响

对于大多数金属材料之间的摩擦而言, 动摩擦因数随温度升高而降低, 极少数 (比如金与金) 会随温度升高而升高;对于温度不敏感的材料 (石墨) , 动摩擦因数几乎与温度无关。同时, 对于物体的相对运动速度引起温度的变化, 也会使动摩擦因数发生改变。

4 干摩擦力与湿摩擦力

固体与气体、固体与液体之间的摩擦统称为湿摩擦, 固体与固体之间的摩擦称为干摩擦。湿摩擦力是因接触面间的薄黏性流体剪断产生的, 其摩擦系数远小于干摩擦, 因此, 湿摩擦力小于干摩擦力。

在固体接触面间涂上一层润滑油, 可将干摩擦变为湿摩擦, 从而减小摩擦力。比如, 穿上滑冰鞋在冰面上滑行时, 冰刀会使冰瞬间化为水, 即使干摩擦变为半湿摩擦。如果穿冰鞋在地板上溜滑, 即使地面像冰面一样光滑, 但由于干摩擦无法变为湿摩擦, 冰刀依然滑动不起来。

5 接触时间对滑动摩擦力的影响

实验表明, 在一定的限度内, 两物体表面接触的时间越长, 滑动摩擦力越大。产生这种现象的机理有3个方面。

5.1 接触时间对凹凸搭合的影响

在一定的限度内, 随着接触时间的延长, 物体相互接触的两表面上的凸起和凹陷部分相互搭合、相嵌的配对数目会增多, 使表面间发生相互作用的分子数目增多, 凹、凸彼此契合得更加紧密, 如果要发生相对运动, 则需要的剪切力就越强。

5.2 接触时间对表面形变的影响

在一定的限度内, 随着接触时间的延长, 相接触的两物体表面的弹性形变和塑性形变越剧烈。对于弹性形变, 表面上凹陷的部分会更加下陷, 导致发生相对滑动时, 表面上的凸起部分需要爬升的高度增加, 使滑动摩擦力增大;对于塑性形变, 接触表面上的凸起部分在巨大的压强下会破损、断裂, 使互压的高峰彼此契合得更加紧密、牢固, 进而使实际接触面积增大, 有效相吸的分子数变多、分子吸引力变大。

5.3 接触时间对分子对移的影响

在一定的限度内, 随着接触时间的延长, 在相接触的物体表面上, 由于接触点间分子的强相互作用, 发生相互相转移的分子数增多, “冷焊”现象更加明显。相对滑移的运动动能转化为对移分子的热振动能越多, 能量损耗得越大, 进而表现为摩擦阻力增大。

摘要：在分子 (原子) 层面上对滑动摩擦力本质作了简述, 并联系生活实际, 举例说明了影响摩擦力的各种因素, 以期对相关方面的研究提供有意义的参考和借鉴。

关键词：接触面积,分子,摩擦因素,滑动摩擦力

参考文献

[1]温诗铸, 黄平.摩擦力学原理[M].第三版.北京:清华大学出版社, 2008.

[2]北京大学物理系普通物理教研室.普通物理学 (力学部分) [M].北京:人民教育出版社, 1961.

滑动摩擦力 篇2

2．产生条件

3．方向

4．大小：Ff＝μFN

通过罗列式的板书设计，使学生对本节课所学知识能够一目了然

八、说教学反思

滑动摩擦力 篇3

关键词：探究性教学；滑动摩擦力；教具；课例

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2013）5（S）-0067-2

1.传统“滑动摩擦力”实验教具的不足

“滑动摩擦力”是高中《物理》（必修1）中的重要内容，它既是本章节的重点，又是以后学习牛顿运动定律、物体平衡、动量、能量等知识的基础。因此，学生对该内容学习的好坏将直接影响到许多力学问题的解决。本节课的重点是做好实验，引导学生探究滑动摩擦力产生的条件以及影响滑动摩擦力大小的因素，并得出关系F=μN。

以往探究影响滑动摩擦力大小的因素都是手拉着弹簧测力计牵引木块在木板上匀速运动，让学生观察测力计示数，根据二力平衡得到摩擦力大小。但在实验的过程中，我们发现了以下问题：（1）由于测力计指针和刻度很小，第一排的学生都难以观察，后面的学生更是无法看见；（2）手拉着测力计牵引木块“匀速”滑动，但在实际操作中很难做到匀速，因此测力计的读数忽大忽小、不稳定，学生不容易观察；（3）即使物块做匀速运动，由于弹簧测力计也在运动，读数时视线要随着弹簧测力计移动，要准确读数很难，测出的滑动摩擦力误差较大。难以探究出滑动摩擦力和压力之间的定量关系。

2.改进“滑动摩擦力”教具介绍

基于上述分析，我们特意设计制作了“滑动摩擦力”教具，该教具如图1所示。

该教具有两种使用方法：第一种是把图1中的竖直挡板及其附属设备去掉，木箱内侧装有轨道，轨道上有一个垫板，它可以沿着轨道来回滑动。木块置于垫板上，在支架、垫板，木块上都贴有红色的标记，用于判断它们的相对位置。可以先让三个标记对齐，学生通过观察标记的位置变化，直观判断出木块相对运动的方向。进而判断出摩擦力的方向。第二种使用方法如图1所示，将木块和木板叠放于水平桌面上，不可伸长的细线系住木块绕过定滑轮与竖直方向的压力传感器相连，用力拉动木板，使它在桌面上滑动，读出压力传感器的读数，根据二力平衡条件测出木块与木板间的滑动摩擦力。当拖动下面的木板时，静止的物块就会受到滑动摩擦力。由于木板太光滑，摩擦力太小，通过反复的研究发现，牛皮纸反面的粗糙程度最合适，也便于拖动，因此用牛皮纸来代替课本中的木板，可以大大的提高实验的精确性。在实验操作中，由于滑动摩擦力与相对运动速度无关，无需匀速的拖动牛皮纸，这给实验带来了极大的方便，通过观察改进后的实验发现，当拖动下面的牛皮纸时，发光二极管显示的读数也不再跳动了，可见设备的改进是非常成功的。

3.教学案例——“滑动摩擦力”教具的应用

在滑动摩擦力这一节中，滑动摩擦力方向的判断和滑动摩擦力大小的计算既是本节的重点又是本节的难点。

基于学生在初中对滑动摩擦力的认识。滑动摩擦力的定义和滑动摩擦力的产生条件学生都容易掌握理解，但学生容易有以下几个错误的认识：（1）滑动摩擦力的方向总是与运动方向相反；（2）滑动摩擦力一定是阻力；（3）静止的物体不会受到滑动摩擦力。

先在实验教具的支架、垫板和木块上都贴上红色的标记，以便于判断它们的相对位置，让三个标记对齐，由于支架相对于地面是静止的，可以把它看做是地面，教师迅速的向左拉动垫板，请学生注意观察，木块的运动情况，并作好记录。如果木块在支架标记的左边，则木块的运动方向是向左的，此时木块相对垫板滑动了；若木块在垫板标记的右边，说明木块相对于垫板的滑动方向是向右的，在这个过程中，根据滑动摩擦力的产生条件，有接触、挤压，相对滑动和接触面粗糙，所以受到了滑动摩擦力。然后根据物块的运动状态来判断滑动摩擦力的方向，由于滑动摩擦力拖着木块由静止向某一个方向运动了，所以滑动摩擦力的方向即是该方向。通过该自制教具的实验演示。能非常容易改正学生“滑动摩擦力的方向总是与运动方向相反”的错误认识。

对于“滑动摩擦力一定是阻力”的错误认识，教师可以这样，先让三个标记对齐，用力地抖动垫板的拉绳，由于垫板上的木块并没有受到绳子的拉力，但它却能在垫板上相对支架向前运动一定的位移，说明摩擦力起到动力的作用，也容易知道该力是滑动摩擦力。这个实验充分说明了滑动摩擦力不一定是阻力。

在第三个实验中，仍是让三个标记对齐，并将木块用细绳固定在支架的一端，然后向另一侧拉动垫板，很明显，木块相对于地面是静止的，但木块相对于垫板是有相对运动的。从数码显示管的读数中可以判断该木块在这个过程中也受到了滑动摩擦力，而木块却是静止的。这就证明了静止的物体也可能受到滑动摩擦力。

利用自制教具进行演示实验，澄清了几个容易混淆的认识，这里的实验运用了一定的观察方法，提高了学生的观察、分析和归纳的能力，整个学习过程中，学生的思维是积极主动的，学生从中有所发现，获得了一定的成就感。

最后探究滑动摩擦力的大小，可以先让学生回忆在初中探究影响滑动摩擦力大小因素的实验：将木块放置于水平长木板上，由弹簧测力计水平拖动木块做匀速运动，根据二力平衡，测出木块受到的滑动摩擦力，从而得到压力越大，接触面越粗糙，滑动摩擦力就越大，滑动摩擦力与相对运动速度和接触面积无关。在初中，学生得到的只是滑动摩擦力与压力的定性关系，不能测出它们之间的定量关系。利用该教具，滑块通过细线绕过定滑轮与竖直方向的拉力传感器相连，滑块置于水平长木板上，当我们拉动长木板时。滑块相对与拉力传感器而言是静止的，但相对于长木板运动且受到长木板施予的摩擦力，该力与细线对滑块的拉力平衡，由二力平衡容易知道这两个力大小相等，此时便可以通过数码显示管知道滑动摩擦力大小。由于木板太光滑，摩擦力太小，通过反复的研究发现，牛皮纸反面的粗糙程度最合适，也便于拖动，因此用牛皮纸来代替课本中的木板，可以大大的提高实验的精确性。在实验操作中，由于滑动摩擦力与相对运动速度无关，无需匀速的拖动牛皮纸，这给实验带来了极大的方便，通过观察实验结果，发现当拖动下面的牛皮纸时，数码显示管的读数没有跳动，会稳定在某一个数值。通过该实验教具进行实验后。对所获得的实验数据的分析不难发现。滑动摩擦力和压力的比值几乎是恒定的，也就是在误差允许的范围内，滑动摩擦力和压力的比值是相等的，由此得出滑动摩擦力与压力成正比，并得到数学关系式：f=μN。

教师用自己制作的教具与使用现成的教具来讲课，教学效果是不一样的。使用自制的教具，在实验教学中更加得心应手，更能让学生看到仪器的内部构造，了解实验的工作原理。更重要的是：当学生看到那些用生活物品与身边的常见材料来做实验，会使他们觉得物理离自己更近。更容易激发学生热爱物理、热爱科学的情感。

电子式滑动摩擦力探究仪 篇4

传统的测量滑动摩擦力的实验装置如图1甲所示。要使弹簧测力计显示的示数恰好等于滑动摩擦力的大小, 必须使弹簧测力计与物块一起在水平长板上做匀速直线运动, 但实际操作是非常困难的, 而且弹簧测力计在运动的过程中要准确地读出其示数也是十分困难的。于是不少教师将其改成了如图1乙所示的实验装置, 让弹簧测力计的一端固定, 另一端钩住长方形木块, 木块下面是一长木板, 实验时拉动长木板, 使其向右运动, 此时弹簧测力计与长方形木块保持相对静止, 由于木块的静止状态比匀速直线运动状态的操作要容易得多 (平衡状态的两种可能的比较) , 因为拉动的是水平长板, 无需考虑水平长板是否匀速, 由于弹簧测力计是静止的, 可以方便地从弹簧测力计上读出滑动摩擦力的大小。

很显然, 装置乙比甲的设计要科学得多。它作为初中定性探究影响滑动摩擦力大小因素的实验是可行的, 但作为定量探究或要测量动摩擦因数还是有困难的。一是弹簧测力计的量程小, 分度值大, 测量精度不够;二是长木板使该装置显得庞大, 而且长木板的运动还受实验桌的限制。因此, 笔者用精度高的电子秤替代精度低的弹簧测力计, 用传送带替代长木板, 用尼龙搭扣作为木块底面调换材料的中介物来改变接触面的粗糙程度, 设计并制作了《电子式滑动摩擦力探究仪》, 实物如图2所示。

一、构造特点

本仪器主要包括电子秤、压块、定滑轮 (细线) 、木块 (钩码盒) 和传送装置 (手柄) 五大部分, 如图3所示。

1. 电子秤

从原理上讲, 电子秤并不是测量质量的仪器, 而是测压力 (其大小等于物体的重力) 的装置, 其内部装有力传感器, 可实现力与电信号的相互转换, 自动计算出对应的质量数值, 然后通过显示屏直接显示出来。图4是家用电子厨房秤的实物图, 它由秤盘、显示屏和开关、单位、归零这三个按钮组成。“开关”具有接通电路, 使显示屏工作的功能;“单位”具有转换功能, 可以将“克”与“盎司”这二种单位相互转换;“归零”有去皮功能, 能快速测出物体的净质量。该电子秤的称量为5kg, 感量为1g, 转化为测力计, 称量为50N, 感量为0.01N, 能满足测力需要。

2. 压块与定滑轮

该电子秤只能测压力, 不能测拉力, 但可通过转化测量获得。其思路是用压块作为转化物, 让其压在电子秤上, 在传送带静止时, 读出电子秤的示数m0, 当传送带运动时, 木块受到的滑动摩擦力通过细线上的拉力传递, 并由定滑轮改变方向, 向上拉压块, 使电子秤的示数减小为m, 其变小量为Δm=m0-m, 此时摩擦力的大小可由f=Δmg计算得到。

3. 木块与尼龙搭扣

利用实验室长、宽、高分别为a、b、c的长方体木块作为研究对象, 利用其平面、侧面、立面以及一个平面和侧面能放置50g钩码的圆孔, 可以获得5个不同的表面积, 以此来探究摩擦力是否与其接触面积有关。木块的底面用尼龙搭扣作为调换材料的中介物, 可将质量相同的木质、纸质、细布、粗布、塑料这五种材料与木块连接来改变接触面的粗糙程度。将钩码盒里的个数不同的50g钩码置于木块上表面的圆孔中, 可以方便地改变压力的大小。

4. 传送装置

传送装置由水管制作的传动轴、布制作的传送带和由水管及其接口制作的手柄组成。粗糙的帆布绷紧在二个传动轮上, 就成了传送带;手柄直接装在主动轮上, 摇动手柄使主动轮转动。通过从动轮带动传送带在水平方向运动, 与静止的木块发生相对滑动, 改变手柄的摇动速度, 可以改变木块相对滑动的速度。

二、使用方法

称量前, 按开关键、归零键, 使单位键置于克 (g) , 将压块置于秤盘的中间, 读出电子秤的示数, 即为压块的质量m0。

将木块置于传送带上, 细线通过定滑轮分别与压块和木块连接。摇动手柄, 使传送带与木块之间发生相对滑动, 读出此时电子秤的示数m。

计算电子秤的示数差Δm=m0-m, 可以得出滑动摩擦力f=Δmg。 (g取10m/s2)

三、定量探究

1. 探究滑动摩擦力与压力大小的关系

(1) 用电子秤分别测出木块、压块的质量M、m0, 并记录在表1中。

(2) 摇动手柄, 使木块与传送带之间发生相对滑动, 将此时电子秤的示数m记录在表1中。

(3) 在木块上表面分别加1个、2个、3个、4个50g的砝码, 在表1中分别记下该时电子秤的示数。

(4) 完成表1中其他空格的计算。

(5) 将表1中的压力与摩擦力的相关数据画成函数图像, 如图5所示。

(6) 由图5中的函数图像可得出结论:滑动摩擦力的大小与压力的大小成正比。

根据实验数据或函数图像的斜率还可以求出动摩擦因数。μ1=f1/F=0.213N/0.38N=0.416;同理可得μ2=0.416、μ3=0.415, μ4=0.416, μ5=0.417, 最后计算其平均值:μ= (μ1+μ2+μ3+μ4+μ5) /5=0.416, 即为所测的动摩擦因数。

2. 探究滑动摩擦力与接触面积的关系

(1) 用刻度尺测出长方体木块的长、宽、高分别为8.9cm、7.2cm、3.4cm, 计算出该木块平面、侧面和立面的面积分别为64.08cm2、30.26cm2、24.48cm2, 在长方体木块的一个平面有4个直径为2.5cm的圆孔, 该平面的实际面积为40.40×10-4cm2, 一个侧面有2个直径也为2.5cm的圆孔, 该侧面实际面积为20.25×10-4cm2, 填入表2相应的表格中。

(2) 在木块上放2个50g的砝码, 对传送带的压力为1.38N。

(3) 分别将木块平放、侧放和立放, 摇动手柄, 使木块与传送带之间发生相对滑动, 在表2中分别记下电子秤在该时的示数。

(4) 按上述方法完成表2中其他空格的计算。

(5) 分析表中的数据, 可得出结论:滑动摩擦力的大小与接触面积无关。

3. 探究滑动摩擦力与接触面粗糙程度的关系

(1) 在探究2实验1的基础上, 用尼龙搭扣将木质垫子连接在木块的底面上, 测量此时木块的总质量, 然后放在传送带上, 摇动手柄, 记下电子秤此时的示数。

(2) 用同样的方法, 将纸质的、细布的、粗布的、塑料的垫子连上, 摇动手柄, 使木块与传送带之间发生相对滑动, 分别测出该时的电子秤的示数, 并将其记录在表3中。

(3) 按前述的方法完成表3中其他空格的计算。

(4) 分析表中的数据, 可得出结论:滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关, 接触面越粗糙, 滑动摩擦力越大。

4. 探究滑动摩擦力与相对滑动速度的关系

(1) 在探究2实验1的基础上, 改变手柄的摇动速度, 进而改变木块与传送带之间相对滑动的速度, 用电子表分别测出手柄摇10圈的时间t, 并分别读出该时电子秤的示数, 并将其记录在表4中。

(2) 按前述的方法完成表4中其他空格的计算。

(3) 分析表中的数据, 可得出结论:滑动摩擦力的大小与物体相对滑动的速度有关, 其本质是相对滑动的速度改变了动摩擦因数, 导致滑动摩擦力的大小发生变化。该动摩擦因数的大小随相对滑动速度的增大而减小, 最后趋于一个定值, 其函数图像如图6所示。

四、总结提升

1. 探究结论

综上所述, 滑动摩擦力f的大小与压力F的大小成正比, 可以用公式f=μF来描述。其中的μ叫动摩擦因数, 它是描述物体相对滑动时, 接触表面阻碍物体滑动能力的一个物理量。它与接触表面的粗糙程度和滑动的相对速度有关, 接触面越粗糙, 其阻碍物体相对滑动的能力就越强, 物体受到的滑动摩擦力就越大。它还随相对滑动速度的增大而减小, 最后趋于一个定值。当相对速度为0时, μ就是最大静摩擦系数。

2. 创新分析

(1) 思路新

本探究仪的设计思路比较新, 采用压块作为中介物, 将拉力转化为压力, 可以用电子秤来测滑动摩擦力。根据网上搜索, 目前尚未发现用电子秤测量摩擦力的。

(2) 精度高

本探究仪测量的精度高, 可达0.01N, 如果用称量为1kg的电子秤, 其精度高达0.001N, 是弹簧测力0.1N的100倍, 这为定量探究滑动摩擦力的影响因素, 实现由高中学生通过自己的亲身实验来得出摩擦定律成为可能。

(3) 体积小

本探究仪用传送带代替长木板, 既可以缩小体积, 实现往复运动, 还能改变相对滑动的速度。

(4) 操作易

本探究仪用尼龙搭扣作为木块的底面调换材料的中介物, 连接粗糙程度不同的材料, 如木质的、纸质的、细布的、粗布的、塑料的, 来改变接触面的粗糙程度, 既方便可靠, 又节约材料。在木块的上表面和侧面开有圆孔, 既能改变接触面积, 又能放置钩码, 很容易改变压力的大小。使木块和电子秤处于相对静止的状态, 既操作简单、又使电子秤的示数稳定, 极大地提高了实验效率和测量精度。

(5) 成本低

本探究仪除了电子秤在网上邮购 (17元) 、木块与钩码利用学校实验室的器材外, 其余都是利用废旧的三夹板、食品盒、塑料水管及其接口、尼龙搭扣、布、塑料等制作而成。容易加工, 便于学生模仿制作, 为鼓励和引导学生建立家庭实验室起示范和榜样的作用。

滑动摩擦力的大小与什么 篇5

大小

①接触面粗糙程度相同的情况下，滑动摩擦力的大小f跟正压力成正比：f=μN（μ为动摩擦因数）

②物体所受压力相同情况下，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大

③滑动摩擦力的大小比最大静摩擦力fmax略小。通常的.计算中可以认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力。

注：一定范围内滑动摩擦力与接触面积无关；滑动摩擦力和物体运动速度无关

方向

滑动摩擦力 篇6

滑动摩擦力，无论相互接触的物体是相对匀速运动、加速运动还是减速运动，滑动摩擦力的大小F=μF都是不变的，F与F的方向是垂直的，即使F变化，F就会随着变化，但F/F=μ。设滑动摩擦力与支持力的合力方向与F方向夹角为θ，tanθ=F/F=μ，μ一定，θ就是一定的，由此可知滑动摩擦力与支持力的合力方向是由μ决定。

在受力分析过程中灵活应用这个结论会大大降低难度。

【例1】重为G的木块与水平地面间的动摩擦因数为μ，一人欲用最小的作用力F使木块做匀速运动，则此最小作用力的大小和方向应如何？

若用解析法

Fcosα-μF=0，Fsinα+F-G=0

解上述二式得：F=

令tanφ=μ，则sinφ=，cosφ=

可得F==

可见当α=φ时，F有最小值，即F=

答案：与水平方向成α角斜向上且tanα=μ

但如果用到滑动摩擦力与支持力的合力方向是一定的，tanθ=F/F=μ。就可以将滑动摩擦力与支持力的合为一个方向不变的力，用三力动态平衡的图解法既直观又简单。如图所示，F与滑动摩擦力与支持力的合力方向垂直时F最小。

【例2】历年高考试题中经常遇到静止斜面上放一个物体，要判断地面对斜面体的摩擦力方向，斜面上的物体可以静止、匀速或加速，运动方向可以向上或向下，可以不受到推力或受到推力（受到推力的方向可以是任意的）。

若斜面上的物体是静止的或匀速运动，则可以把物体和斜面作为一个整体，受力分析直接求解，若斜面上的物体沿斜面上滑，对斜面体受到地面与重力G是竖直方向，而斜面上物体对斜面的压力和滑动摩擦力都有同一方向的水平分量，很易判断摩擦力的方向。

但斜面上的物体沿斜面下滑时，物体受到的摩擦力沿斜面向上。很不易判断斜面运动趋势，但我们发现，斜面受到的F与G是竖直方向，不会有水平分量，斜面在水平方向的运动趋势取决于物体对斜面的压力和滑动摩擦力合力方向，而这两个力的反作用力正是斜面对物体的支持力和滑动摩擦力，只要知道斜面对物体的支持力和滑动摩擦力的合力方向，就知道了斜面受到摩擦力的方向。

F与F合力与F夹角θ，tanθ=μ，μ一定，θ一定。由几何关系知F与竖直方向夹角为α，α等于斜面倾角，物体沿斜面向下滑行可分三种情况：

（1）当tanα=μ时，由于tanα=μ则θ=a，即F和F的合力是竖直向上的，反作用在斜面上的力是竖直向下的，因此地面对斜面没有摩擦力。

（2）当tanα>μ时，由于tanθ=μ则θ<α，即F和F的合力是斜向左上的，物体反作用在斜面上力是斜向右下，有向右运动趋势，要受地面对斜面体向左的摩擦力。

（3）当tanα<μ时，由于tanθ=μ则θ>α，即F和F的合力是斜向右上的，物体反作用在斜面上力是斜向左下，有向左运动趋势，要受地面对斜面体向右的摩擦力。

这三种情况与斜面上的物体是否受到外力无关。滑动摩擦力与支持力的合力方向仅由μ决定。

例如：一物体恰能在一个斜面体上沿斜面匀速下滑，若沿如图所示方向用力向下推此物体，使物体加速下滑，则斜面受地面的摩擦力是（ ）

A.大小为零 B.方向水平向右

C.方向水平向左 D.无法判断大小和方向

对物体进行受力分析，恰能沿斜面匀速下滑，tanα=μ，θ=α，知支持力与摩擦力合力是竖直向上的，当用力向下推此物体，使物体加速下滑，无论F方向如何，可能压力和摩擦力发生了变化，但摩擦力F始终等于μF，tanθ=F/F=μ，知两力的合力方向不变，所以仍然不受摩擦力。故A正确，B、C、D错误。

滑动摩擦力 篇7

关键词：滑动摩擦力,实验,思考,二力平衡

摩擦力是指阻碍物体运动或者运动趋势的力, 一般发生于物体的接触面上。按照物体的运动状态, 摩擦力一般可以分成静摩擦力、最大静摩擦力以及动摩擦力。和相对滑动趋势方向相反, 接触面有相对滑动趋势, 但是没有产生滑动而保持静止的条件下叫静摩擦力;和相对滑动趋势方向相反, 接触面之间有相对滑动趋势, 但是物体处于要滑动而未滑的临界平衡状态时叫最大静摩擦力;而接触面滑动之后产生的叫做滑动摩擦力, 滑动摩擦力的方向和滑动方向相反[1]。本文基于滑动摩擦力的定义以及特性, 对其测量试验原理进行了新的思考。

1 滑动摩擦力概述

通常来讲滑动摩擦力的产生和接触面、挤压力有着密切的关系, 当然首要条件是要有相对运动。滑动摩擦力的大小和正压力存在正比关系, 正比系数称之为动滑动摩擦因数[2]。大量的实验同样证实, 滑动摩擦力的大小至于两个物体之间接触面的粗糙程度以及正压力的大小有关, 表现为正压力越大, 滑动摩擦力越大, 而接触面越粗糙, 滑动摩擦力越大。当然需要知悉的是, 滑动摩擦力并不一定阻碍物体的运动, 它同样有可能是动力。这和相对运动中的参照物选取有关系。比如利用传送带往高处运送货物的时候, 就是利用了向上的滑动摩擦力。

测量滑动摩擦力的实验, 经常采用的方式是用弹簧秤拉木块, 通过测量拉力大小来获得滑动摩擦力[3]。于是有人会问, 为什么一定要用弹簧秤拉木块做匀速直线运动?首先, 匀速直线运动是受力平衡状态下的运动状态, 其次, 弹簧产生的是拉力, 而不是摩擦力。这时, 根据二力平衡条件可以知道, 匀速运动状态下, 物体手里平衡, 也就是说拉力和滑动摩擦力大小相等, 方向相反。所以, 只要通过弹簧秤测量出了拉力, 自然就得出了滑动摩擦力[4]。需要注意的是, 以上的分析有一个很重要的前提, 那就是弹簧秤拉木块所做的运动都是在直线上进行, 也就是说拉力和滑动摩擦力的作用线是在一条直线上。而实际情况中, 有的时候拉力和摩擦力并不是在同一直线上的, 这样的话二者就不再符合二力平衡条件, 如此一来, 通过弹簧秤测量滑动摩擦力的实验是否还正确?

2 模型分析

2.1 简化接触面支持力

假设三维空间中存在一点A (x1, y1) (图1) , 而作用在A点上的支持力方向应该是竖直向上的, 我们假设这个力为N, 那么支持力N应该遵从矢量场函数法则, 即支持力N=N (x, y) 。而支持力的方向是竖直向上的, 那么矢量场函数N必然存在一个点B (-x1, y1) , 使得B点的矢量场函数N’=N。由此我们知道A和B关于Y轴对称。

根据力的简化原理[5], 如果两个力系对一个物体产生的作用相同, 那么这两个力互为等效力系。力的简化就是将一个力用等效力系代替。由此我们可以假设空间中存在一个点C, 将所有的支持力都像C点进行平移, 可知力的作用效果不变。此时我们可以知道力系的主矢等于所有矢量场N的和, 而主矩等于每个点到C点的距离乘以主矢, 即M=R×N, 下面我们来计算对称点的主矩:

由式1我们可以看出, 主矩M的大小和x方向上无关, 而只存在于y方向。也就是说, 所有支持力的合力必定作用在Y轴, 所以在研究实验模型的时候, 我们可以假设这样的一个通用点 (0, y, 0) , 此时支持力方向竖直向上, 大小为N。

2.2 简化滑动摩擦力f

简化了支持力之后, 由二力平衡可以知道动摩擦力的方向一定沿着y轴, 且为负向, 有:

式中, μ为动滑动摩擦因数, 常数, 无单位。

2.3 受力分析

静力学中关于刚体的平衡状态, 定义为所有外力的矢量和必须等于零, 由此可知空间力系中的力矩之和也必定为零。确定所有物体都是静定的, 随即选择合适的研究对象, 通过受力分析, 我们可以列出平衡方程对未知量进行求解。平衡方程主要有两个, 其一为所有力的合力为零, 其二为力矩和为零。最后可以通过求解方程, 得出通用点 (0, y, 0) 中的y值。应该注意的是, 在这个受力分析过程中, 所有的力需要平移到新的一点, 我们将这个点叫做质心。这里的简化是基于力的平移原理, 物体可能产生转动或者转动平衡状态。而在测量滑动摩擦力的实验中, 通常假设合力作用这样的质心上, 虽然没有考虑到物体的转动力矩, 但是因为物体在转动的状态下可能因为地面的约束而只发生平面移动, 所以实验同样适用。

参考文献

[1]王瑞军.测量滑动摩擦力实验的改进[J].新课程学习·下旬.2013, (9) :67-67.

[2]焦飞.DIS系统在摩擦力探究实验中的应用[J].物理通报.2012, (12) :61-63.

[3]王志方, 朱伟.研究影响滑动摩擦力的大小的实验改进[J].中学物理 (初中版) .2013, 31 (1) :40.

[4]彭映铭.新课改理念下关于“摩擦力”的教学设计[J].中国科教创新导刊.2012, (9) :128.

解析有关滑动摩擦力的几个误区 篇8

一、认为接触面的正压力, 都是由于物理体的重力引起的。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F=μFN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。FN是对物体表面的垂直作用力, 而不是物体本身的重力。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1所示, 物体M与墙是接触的, 但其对墙壁的压力是0而不是mg。

二、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F=μFN, 只与物体间的动摩擦因数和物体间的正压力有关。如图2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F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?

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F=mg, 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F=μmg。

三、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, 即认为滑动摩擦力一定是阻力。

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。如图3所示, 在长木板A上放着一块木板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v2小于A的速度v1。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。

四、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4所示, 有一固定在地面上的木板A, 上面放一个重G=10N的物体B, 并在F=6N的拉力作用下运动。若A、B间的动摩擦因数μ=0.5, 问:B对A是什么摩擦力, 其大小是多大?这里木板A虽然是静止的, 但相对于物体B却是运动的, 故B对A的作用力是滑动摩擦力, 其大小

滑动摩擦力 篇9

摩擦力是生产生活中最常见的一种作用力, 如何利用摩擦力造福人类, 是世界性科技研究的重要论题。我们如何研究影响滑动摩擦力的因素呢?怎样测滑动摩擦力的大小呢?

二、猜想与假设

猜想1.滑动摩擦力与相对运动快慢的关系。

猜想2.滑动摩擦力与压力的关系。

猜想3.滑动摩擦力与接触面面积的关系。

猜想4.滑动摩擦力与接触面粗糙程度的关系。

三、活动方案

用弹簧秤拉小车在水平面上匀速直线运动, 由匀速直线运动的物体所受合外力为零, 可知, 小车受到的滑动摩擦力的大小与弹簧秤拉力的大小相等, 从而测出摩擦力的大小。并通过控制变量法, 探究上述四个猜想。

四、实验器材

弹簧秤, 小车, 钩码, 塑胶板, 铁架台 , 小滑轮, 细线。

五、实验装置

六、实验改进

1.把移动中弹簧秤的读数, 改为静止弹簧秤悬挂读数。从而减小读数的误差, 同时增强了实验的可视性。

2.把拉动小车改为拉动木板, 避免小车出现加速运动, 保证小车始终处于二力平衡状态 (这是决定实验成败的关键) 。

七、实验过程

实验一、滑动摩擦力与相对运动速度大小的关系

在接触面积、接触面性质、接触面间的压力一定的条件下 (控制变量法) , 研究滑动摩擦力与物体运动速度的关系:

实验二、滑动摩擦力与接触面之间压力的关系

在物体接触面积、物体运动速度、接触面性质一定的条件下 (控制变量法) , 研究滑动摩擦力与接触面间压力的关系:

实验三、滑动摩擦力与接触面大小的关系

在物体运动速度、接触面性质、接触面间压力一定的条件下 (控制变量法) , 研究滑动摩擦力与接触面积的关系:

实验四、滑动摩擦力与接触面的粗糙程度的关系

在物体接触面积、物体运动速度、接触面间压力一定的条件下 (控制变量法) , 研究滑动摩擦力与接触面性质的 (如材料、接触面粗糙程度) 关系:

八、归纳总结

滑动摩擦力 篇10

初中物理中“滑动摩擦力”是一个比较重要的知识点, 而“滑动摩擦力的大小与什么有关”则是一个比较关键的实验, 它的成功与否将直接影响到学生对其知识的理解和掌握, 在现有的教材中都采用了如图一所示的设计方案, 即把一个木块A放在长木板B上, 匀速地拉动木块A, 使弹簧测力计的示数稳定后, 观察记录弹簧测力计的示数.此种方案简单易懂, 但也有不足之处, 就是在拉动弹簧测力计的过程中很难真正做到匀速拉动, 由于弹簧测力计是运动的, 不易读准示数, 实验误差大, 学生对实验的可信度降低, 对“滑动摩擦力的大小等于弹簧测力计的示数”这一结论就会产生疑问, 学生对这个部分知识的理解和掌握就受到影响, 为了解决这个问题, 我们不防改变一下实验方案, 如图二所示, 即将长木板B放在水平桌面上, 用细线通过弹簧测力计水平地拉住木块A, 沿木板B方向水平拉木板, 使木板B在木块A下面滑动, 这个方案的优点是:⑴木块滑动时可以是变速的, 不受匀速拉动的限制, 操作容易.⑵由于弹簧测力计是静止的, 容易读准示数, 实验的可信度高, 学生易于接受.各位教师不防试一下, 效果非常不错.

滑动轴承摩擦因数的测定实验研究 篇11

滑动轴承的摩擦系数f是设计滑动轴承的重要参数之一, 它的数值与变化规律直接影响轴承的摩擦和润滑状态轴承的温升及机器节能降耗等, 摩擦因数f的影响因素主要有润滑油的特性、轴的转速和轴承压强等, 因此测定滑动轴承摩擦因数的特性具有重要意义, 本文以实验为基础, 进行f-λ曲线和p-f-n曲线的测定, 探讨压强p, 转速n等的变化对f-λ曲线的影响[1]。

1 实验设备简介

ZHS20系列滑动轴承综合实验台 (见图1) 主要由主轴驱动系统、静压加载系统、轴承润滑系统、油膜压力测试系统、油温测试系统、摩擦因素测试系统以及数据采集与处理系统等组成[2]。

1—交流伺服电动机2—轴向油压压力变送器3—静压加载压力变送器4—周向油压压力变送器 (1～7号) 5—滚动轴承6—调压阀7—摩擦力传感器测力装置8—实验主轴箱9—液压油箱10—机座

2 测定滑动轴承摩擦特性f-λ曲线

滑动轴承的摩擦系数f是重要的设计参数, 它的大小与润滑油的粘度η、轴的转速n和轴承压强p相关, 令

λ为滑动轴承摩擦特性系数。η为已知参数, 分别测定轴的转速n和轴承压强p, 则可计算出滑动轴承摩擦特性系数[3]。实验测定滑动轴承摩擦特性曲线如图2。

图2为滑动轴承摩擦特性曲线, 表示轴承摩擦因数f与滑动轴承摩擦特性系数λ的关系, 即轴承转速n=0的静摩擦状态过渡到低转速下的边界摩擦及混合摩擦状态, 并随着转速的提高达到液体摩擦状态, 在此过程中, 轴承摩擦系数f由大变小再变大, 当λ=0.843时承摩擦因数f最小。

3 多参数耦合作用下滑动轴承摩擦因数的实验研究

采用传统的横坐标为无量纲λ的f曲线, 无法凸显多参数的变化, 如压强p变化时, 摩擦因数f曲线的变化为此采用了p-f-n实验模式, 从而测出了不同压强下, 摩擦因数曲线f的变化规律。p-f-n曲线测定:通过实验测定p-f-n曲线如图3所示。

实验结果分析:由图2可知, 随着载荷的增大而液体摩擦状态下的摩擦系数减小, 而边界润滑和混合润滑状态下的摩擦因数增大, 这一试验结果与国外文献数据基本符合, 随着载荷的增大, 达到液体摩擦所需要的转速提高, 这一实验结论与实际运转是吻合的, 因此采用采用p-f-n的实验模式对于研究多参数耦合下轴承摩擦因素的变化和轴承润滑状态的转化都具有参考价值。

参考文献

[1]张直明, 主编.滑动轴承的流体动力润滑理论[M].北京:高等教育出版社, 1986.

[2]吴鹿鸣, 陆天炜, 主编.机械设计实验教程[M].成都:西南交通大学出版社, 2007.