CN104658382A - 一种摩擦力探究实验仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摩擦力探究实验仪，包括单摆机构、滑块和滑轨，单摆机构包括支架和摆球，摆球悬挂于支架上；滑轨水平固定安装，滑轨上设置有凹槽，滑块放置于凹槽内，并通过摆球在零度摆角位置撞击所述滑块而推动滑块在凹槽内运动；滑块上设置有可更换的配重块，底部设置有可更换的接触底层；凹槽底面设置有可更换的接触表层。本发明的摩擦力探究实验仪，多能齐全，可将影响摩擦力的多种因素全方位展现，实验效果直观，易理解。

Description

一种摩擦力探究实验仪
技术领域
本发明属于实验教学设备技术领域，具体涉及一种摩擦力探究实验仪。
背景技术
摩擦力是指当一个物体在另一个物体的表面上相对运动(或有相对运动的趋势)时，受到的阻碍相对运动(或阻碍相对运动趋势)的力。但对于中小学学生刚接触摩擦力这个概念时还会有许多疑惑，这是因为影响摩擦力因素较多，如：接触表面的压力、接触表面粗糙度、运动方向和接触面大小以及接触面材料组成等有关。为了让学生更容易深入理解影响摩擦力的因素，摩擦力探究演示装置应运而生。
如图1所示，从现有摩擦力实验装置来看，主要采用弹簧秤(2)拉动一个物块(1)在一个平板(3)上做匀速运动，通过更换不同粗糙程度的平板(3)，测出该物块(2)在相同速度下所需要的拉力，从而得出影响摩擦力的因素。从现有的实验装置看来，主要存在以下几个问题：①测量不够精确，由于摩擦力较小而弹簧秤精度较低直接影响测量。②人为因素较多，如：测量过程中应该保持物体的运动为匀速，而无论用人力或法码、滑轮拉动很难做到匀速运动。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有的摩擦力实验装置存在的问题，提供一种摩擦力探究实验仪，测量精度高，实验效果直观，易理解。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种摩擦力探究实验仪，包括单摆机构、滑块和滑轨，单摆机构包括支架和摆球，摆球悬挂于支架上；滑轨水平固定安装，滑轨上设置有凹槽，滑块放置于凹槽内，并通过摆球在零度摆角位置撞击所述滑块而推动滑块在凹槽内运动；
滑块上设置有可更换的配重块，底部设置有可更换的接触底层；凹槽底面设置有可更换的接触表层。
优选地，所述的单摆机构还包括摆杆，摆球通过摆杆悬挂于支架上，摆球底部固定设置有调节摆杆和摆球构成的质量体质心的配重球。
优选地，所述的摆杆采用高碳钢制成。
优选地，在支架和滑轨上设置有若干水平仪。
优选地，在凹槽侧边的滑轨上设置有刻度尺。
优选地，所述的接触表层采用若干可滚动的接触滚轮构成。
优选地，所述的接触底层和接触表层均采用气垫。
优选地，所述单摆机构还包括摆线，摆球通过摆线悬挂于支架上。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的一种摩擦力探究实验仪，利用单摆撞击滑块，滑块在滑轨上滑行，测量滑块的滑行距离，并通过对比不同的粗糙度的接触面、不同重量的滑块以及不同的接触形式的滑块滑行距离，可分别得出摩擦系数、正压力等因素对摩擦力的影响，并可精确测量出摩擦系数，实验结果准确，实验过程简单明了，让学生更容易理解，且影响深刻，趣味性更佳。
附图说明
图1是现有技术的摩擦力实验装置结构示意图。
图2是本发明的探究实验仪使用状态图
图3是本发明的单摆机构结构示意图。
图4是本发明的单摆机构另一种实施方式的结构示意图。
图5是本发明的滑块结构示意图。
图6是本发明的滑轨结构示意图。
图7是本发明的滑轨另一种实施方式的结构示意图。
图中标记：1-物块，2-弹簧秤，3-平板，4-单摆机构，41-支架，42-摆杆，42′-摆线，43-摆球，44-配重球，5-滑轨，51-凹槽，52、52′-接触表层，53-刻度尺，54-调节旋钮，6-滑块，61-配重块，62-接触底层，7-支撑凸台，81、82、83、84、85-水平仪。
具体实施方式
参照图2-7，一种摩擦力探究实验仪，包括单摆机构4、滑块6和滑轨5，单摆机构4包括支架41和摆球43，摆球43悬挂于支架41上。滑轨5水平固定安装在支撑凸台7上，滑轨5上设置有凹槽51，滑块6放置于凹槽51内，并通过摆球43在零度摆角位置撞击所述滑块6而推动滑块6在凹槽51内运动。支撑凸台7可根据摆球43及滑块6的位置选择合适高度的支撑凸台7，确保摆球43摆动到零度摆角位置时正好撞击到滑块6，即摆球43的碰撞点a与滑块6的碰撞点a′贴合。
参照图5，图6，滑块6上设置有可更换的配重块61，底部设置有可更换的接触底层62。凹槽51底面设置有可更换的接触表层52、52′。接触底层62和接触表层52、52′可在实验时根据不同的实验目的、实验项目更换不同材料，甚至不同结构，例如表面光滑、表面粗糙或者带有磁性的材料、滚轮等等。
参照图3，所述的单摆机构4还包括摆杆42，摆球43通过摆杆42悬挂于支架41上，摆球43底部固定设置有调节摆杆42和摆球43构成的质量体质心的配重球44。摆杆42采用高碳钢材料制成，采用摆杆42作为摆球43的悬挂部件，使得摆球43能够在零度摆角位置能正好撞击滑块6，误差较小。但是采用摆杆42悬挂摆球43后，完成撞击的质量体的质心发生了偏移，因此必须保证调节由摆杆42和摆球43构成的质量体的质心位置，通过在摆球43下方设置配重球44，可将该质心重新调节到摆球43的中心。实验时，必须将摆球43拉起到90°摆角位置，才能保证滑块6每次获得的动能都相同，从而不会影响实验的准确性。
参照图4，所述单摆机构4中摆球43悬挂，还可以采用摆线42′来实现，摆球43通过摆线42′悬挂于支架41上。由于摆线42′的质量较轻，因此在实验计算时，可只考虑摆球43的质量，线的质量可忽略不计，也不需要配重球44来调节质心。
为了使得整个探究实验仪安装平稳，在支架41和滑轨5上设置有若干水平仪81、82、83、84、85。通过水平仪81、82、83可保证支架41能够水平固定安装，通过水平仪84、85能够确保滑轨5水平固定安装。滑轨5上设置有若干调节旋钮54，可通过水平仪84、85来调节调节旋钮54，保证滑轨5安装平稳。
为了更加精确的测量滑块6滑动距离，在凹槽51侧边的滑轨5上设置有刻度尺53。
探究实验仪的工作原理：利用单摆撞击滑块6使其获得与单摆具有相同动能(大小与单摆初始势能相等)，即m1gh＝Fs＝μm2gs，得μ＝m1h/m2s，记录不同状态下滑块6运动的距离s，从而比较得出正压力、材料表面等因素对摩擦力的影响。
实验过程：
一、为了研究材料表面对摩擦力的影响，选取滑块6质量m2与摆球43部的质量体m1相同，即m1＝m2则摩擦系数μ＝h/s：
1)分别用抛光和表面喷砂的铝材料作为滑块6的接触底层62以及滑轨5的接触表层52，比较滑块6滑动距离s的变化；
2)在滑轨5的接触表层52洒上固体微粒，如金刚砂等，比较其s的变化；
通过以上不同接触面材料的变化，可得出不同材料表面，滑块6滑动的距离s也是不相同，因此摩擦系数μ不同，摩擦力也不同。材料越粗糙，滑块6的滑动距离s小，摩擦系数μ越大，摩擦力也越大；材料越光滑，滑块6的滑动距离s大，摩擦系数μ越小，摩擦力也越小。
二、为了研究正压力对摩擦力的影响：
1)保证滑块6的接触底层62和滑轨5的接触表层52材料不变的情况下，通过调节滑块6上的配重块61，比较不同质量的滑块6，即不同正压力的情况下，滑块6滑动距离s的变化情况，从而得出正压力对摩擦力的影响。实验结果，正压力越大，滑块6滑动距离s越小，摩擦力越大；正压力越小，滑块6滑动距离s越大，摩擦力越小。
2)滑块6的接触底层62和滑轨5的接触表层52分别采用磁性材料和一般材料，比较在有磁性和无磁性的情况下，滑块6滑动距离s的变化情况。实验结果，在具有相同磁性的情况下，同性相斥，导致正压力减小，滑块6滑动距离s越大，摩擦力也小；在具有不同磁性的情况下，同性相吸，导致正压力增大，滑块6滑动距离s越小，摩擦力也增大。
三、为了研究接触面对摩擦力的影响：
将滑块6的底部更换不同面积大小的接触底层62，通过实验比较在不同接触面积的情况下，滑块6的滑动距离s的变化情况。从实验结果可知，在不同接触面的情况下，滑块6的滑动距离s是相同的，所以接触面对摩擦力没有影响。
四、为了研究滑动摩擦和滚动摩擦的区别：
参照图7，图中所示为滑轨5的接触表层52′采用滚轮构成。实验时，分别采用图6和图7的滑轨5，即分别为滑动摩擦和滚动摩擦，其他条件不变的情况下，比较滑块6滑动距离s的变化情况。滚动摩擦，滑块6滑动距离s大，摩擦力小；滑动摩擦，滑块6滑动距离s小，摩擦力大。
五、为了研究液体间摩擦力：
在滑块6的接触底层62和滑轨5的接触表层52分别图上油脂，比较在不涂油脂和涂有油脂的情况下，滑块6滑动距离s的变化情况。在有油脂的情况下，滑块6滑动距离s大，说明摩擦力小；在没有油脂的情况下，滑块6滑动距离s小，说明摩擦大力。
六、为了研究气体间摩擦力：
滑块6的接触底层62和滑轨5的接触表层52分别采用气垫，比较在没气垫和有气垫的情况下，滑块6滑动距离s的变化情况。在有气垫的情况下，滑块6滑动距离s大，说明摩擦力小；在没有气垫的情况下，滑块6滑动距离s小，说明摩擦大力。
综上所述，通过以上各种不同情况下滑块6滑动距离s的不同，来比较得出各种因素对摩擦力大小的影响及其关系。

Claims (8)

1.一种摩擦力探究实验仪，其特征在于，包括单摆机构(1)、滑块(6)和滑轨(5)，单摆机构(1)包括支架(41)和摆球(43)，摆球(43)悬挂于支架(41)上；滑轨(5)水平固定安装，滑轨(5)上设置有凹槽(51)，滑块(6)放置于凹槽(51)内，并通过摆球(43)在零度摆角位置撞击所述滑块(6)而推动滑块(6)在凹槽(51)内运动；
滑块(6)上设置有可更换的配重块(61)，底部设置有可更换的接触底层(62)；凹槽(51)底面设置有可更换的接触表层(52、52′)。
2.根据权利要求1所述的探究实验仪，其特征在于，所述的单摆机构(1)还包括摆杆(42)，摆球(43)通过摆杆(42)悬挂于支架(41)上，摆球(43)底部固定设置有调节摆杆(42)和摆球(43)构成的质量体质心的配重球(44)。
3.根据权利要求2所述的探究实验仪，其特征在于，所述的摆杆(42)采用高碳钢制成。
4.根据权利要求1所述的探究实验仪，其特征在于，在支架(41)和滑轨(5)上设置有若干水平仪(81、82、83、84、85)。
5.根据权利要求1所述的探究实验仪，其特征在于，在凹槽(51)侧边的滑轨(5)上设置有刻度尺(53)。
6.根据权利要求1所述的探究实验仪，其特征在于，所述的接触表层(52′)采用若干可滚动的接触滚轮构成。
7.根据权利要求1所述的探究实验仪，其特征在于，所述的接触底层(62)和接触表层(52、52′)均采用气垫。
8.根据权利要求1所述的探究实验仪，其特征在于，所述单摆机构(1)还包括摆线(42′)，摆球(43)通过摆线(42′)悬挂于支架(41)上。
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