一种摩擦力可视化的演示实验装置

摘   要：物理是一门实验科学，实验教学是物理教学的重要组成部分，信息技术与实验的融合可以极大地提升教学效果。以自制力传感器和手机软件Phyphox之间的“蓝牙通讯”为背景，结合实验通过Phyphox同步绘制出F-t图像，探究影响滑动摩擦力大小的因素。

关键词：滑动摩擦力；Phyphox；力传感器

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2023）7-0049-4

摩擦力在生活中是比较常见的一种力，它可以作为阻力，也可以作为动力，因此深入研究摩擦力的一些性质可以给生产生活带来极大的便利。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》要求教师通过实验让学生去认识动摩擦的规律［１］。教材中也设计了相应的探究实验，该实验采用弹簧测力计作为读数工具。而弹簧测力计装置比较简单［２］，因实验过程中示数变化过大从而导致实验结果误差较大，且不便于学生观察摩擦力大小的变化情况。

本文主要结合自制力传感器和Ｐｈｙｐｈｏｘ对以上不足之处作出改进。利用自制力传感器间接测量滑动摩擦力的大小，并通过蓝牙功能将实验数据发送至手机软件Ｐｈｙｐｈｏｘ端，Ｐｈｙｐｈｏｘ可以同步绘制出拉力随时间变化的图像，以达到将摩擦力大小“可视化”的目的，同时依次改变物体接触面的粗糙程度、接触面间的正压力等，探究影响滑动摩擦力大小的因素。如此既增强了实验的精准性，方便了课堂教学，同时也可以使实验现象更加直观，从而激发学生的学习兴趣。

１    装置创新设计

１．１    Pｈｙｐｈｏｘ简介

Pｈｙｐｈｏｘ是一款免费的物理实验软件（图１），功能显著，可利用智能手机内置的各种传感器模块采集实验数据，并且结合采集的原始实验数据绘制出相关的实验图像。因其操作简单且效果直观而被广泛应用到物理实验改进。由于手机没有力传感器功能，故本文自制了一个拉力传感器，并通过拉力传感器内部的蓝牙模块与Pｈｙｐｈｏｘ连接实现数据的无线传输，Pｈｙｐｈｏｘ同步绘制出拉力随时间变化的图像。

１．２    自制拉力传感器

自制拉力传感器主要由Eｓｐ３２开发板、应变式压力传感器以及一节１８６５０充电电池等组成（图2）。由Aｒｄｕｉｎｏ为Ｅｓｐ３２编写程序。Ｅｓｐ３２开发板与其他常见的开发板相比，性能更稳定，体积更小，且自带蓝牙功能，适合用于自制物理教具。

１．３    实验装置

在中学物理教学中，多采用弹簧测力计拉动物块，以探究影响摩擦力大小的因素。为了更直观地探究此过程中影响摩擦力大小的因素，同时利用现代化信息技术探索物理学规律，自制了一款摩擦力教学装置。

装置主要由自制力传感器、传送带、电源、铁片、木块、砂纸、遮光纸、导线组成（图3）。

１．４    实验原理

将自制拉力传感器固定于与传送带运动方向相反的一方。用一根细绳将自制拉力传感器和传送带上的木块连接。打开传送带和自制拉力传感器的开关，并通过蓝牙将传感器与Pｈｙｐｈｏｘ连接。随着细绳逐渐拉伸，某一时刻木块和传送带接触面发生相对滑动。此过程Pｈｙｐｈｏｘ会接收到自制拉力传感器采集的数据，并将其绘制成拉力随时间变化的图像。根据牛顿第三定律可得：滑动过程中细绳对传感器的拉力大小等于传感器所受到的滑动摩擦力的大小。

２    实验可视化静摩擦力与动摩擦力的关系［３］

打开电源，使木块在传送带转动过程中由相对静止到发生相对滑动状态。通过Pｈｙｐｈｏｘ软件得出木块所受摩擦力与时间的关系（图4）。图中倾斜向上的部分为静摩擦力随时间的变化，其最高点为最大静摩擦力。同时，图中较为水平的部分为滑动摩擦力随时间的变化。

３    实验过程及数据分析

３．１    接触面粗糙程度不变，探究正压力大小对滑动摩擦力的影响

在木块上放置２块相同规格的铁片，打开电源，使木块在传送带上发生相对滑动，完成一组数据后把木块放回原始位置，依次在木块上添加２块相同规格的铁片，重复上述步骤五次，共采集六组数据。实验过程中拉力传感器采集的数据由蓝牙模块发送至手机端的Pｈｙｐｈｏｘ，与此同时Pｈｙｐｈｏｘ同步绘制出传感器所受拉力大小随时间变化的部分图像（图5）。

将Pｈｙｐｈｏｘ采集的数据导入Eｘｃｅｌ表格，对每添加２块相同规格的铁片后木块所受滑动摩擦力的数据进行筛选、取平均。木块的重力Ｇ＝５０ ｇ，所得数据如表１所示。

根据牛顿第三定律知

Ff=-F（１）

再结合滑动摩擦力的计算公式

Ff=μF（２）

其中，μ为动摩擦因数。

在该实验过程中若考虑木块在传送带上所受重力不变，通过增加铁片控制正压力变化，即F等于木块和铁片总重力Ｍｇ（F=Mg），由表１实验结果利用Ｏｒｉｇｉｎ拟合平均拉力Ｆ与木块和铁片总重力Ｍｇ的关系（图6）。

由上可得，随着物体与接触面间正压力的增大，物体所受滑动摩擦力也增大，所以物体所受摩擦力大小与物体与接触面间正压力成正比。且斜率ｂ等于动摩擦因数μ。

３．２    正压力不变时，探究接触面粗糙程度对滑动摩擦力的影响

打开电源，使木块和附加４块铁片在传送带上发生相对滑动，第一次滑动以木块为接触面；第二次滑动把遮光纸严格贴在木块上作为接触面；第三次滑动把遮光纸换成砂纸再次改变接触面。运动过程拉力传感器采集的数据由蓝牙模块发送至手机端的Pｈｙｐｈｏｘ，与此同时Pｈｙｐｈｏｘ同步绘制出传感器所受拉力大小随时间的变化图像（图７）。

已知三个接触平面的粗糙程度逐次增加，我们可以从力随时间变化的图像中得到结论：在正压力不变时，随着接触面越粗糙，力传感器上所输出的力越大，如此即可展示滑动摩擦力大小；结论：通过电机使物体匀速运动，物体所受滑动摩擦力和拉力大小相等，接触面越粗糙，物体所受滑动摩擦力越大，并且物体运动过程中滑动摩擦力保持不变。

３．３    接触面粗糙程度和正压力都发生改变，探究不同接触面的动摩擦因数

结合以上的实验步骤，对三种接触面都进行六组数据采集，导出并计算出不同接触面在不同正压力下的平均值，且木块、遮光纸、砂纸接触面的平均拉力分别用F1，F2，F3表示，如表２所示。

由（２）式可知，当不考虑遮光纸和砂纸质量时，由于使用同一木块，不同接触面所受平均拉力与木块和铁片总重力Ｍｇ的变化关系如图8所示。

结论：

（１）通过拟合曲线可知摩擦力不仅和接触面的粗糙程度有关，还与所受正压力的大小有关。

（２）可以结合图７对不同斜率ｂ进行直观比较。

４    结  语

本装置基于传感器和Ｐｈｙｐｈｏｘ之间的蓝牙通讯技术，利用Ｐｈｙｐｈｏｘ绘制出拉力随时间变化的图像，通过实验简便、直观地得出了影响滑动摩擦力大小的因素。相较于教材中的实验装置，开发空间较大、实验精准度较高、操作简单、结果直观且制作成本较低。基于以上特点，该装置可以作为学生课堂分组实验探究的仪器，也可以作为教师课堂实验演示的仪器，利用希沃白板将Ｐｈｙｐｈｏｘ的实验界面投屏，方便学生观察实验现象。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版2020年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０20：３－５，１３－２２.

［２］马兰，代伟，李燕秋，等．一种探究影响摩擦力因素的实验演示仪器［Ｊ］．物理教学探讨，２０１６，３４（７）：１６－１８．

［３］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心．普通高中教科书物理必修第一册［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

（栏目编辑    刘   荣）