巧用动能定理测量“滑动摩擦因数”

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在高中物理教学中,滑动摩擦因数μ的测量是一个不容忽视的问题。现行高中《物理》第一册(人教版试验修订本·必修)教师用书第17页介绍的实验过程为“把纸粘在木块的下表面,使纸跟水平桌面接触,用测力计水平拉木块做匀速直线运动,测出拉力F,再测出木块所受的重力G,则μ= F/G”。但实际的操作中,在判断物体是否做匀速直线运动时存在较大误差,说服力不强,学生不容易接受。其实利用动能定理也可以很容易的测量物体间的动摩擦因数μ。
一、实验原理
如图1所示,在实验中物体与斜面、水平面间的动摩擦因数均为μ,A点距水平面的高度为h, AC间的水平距离为S,若物体能从斜面上A点由静止开始无初速度下滑,且最后停在水平面上C点, 忽略转弯处的能量损失,物体从A→C的过程,由动能定理可得:
mgh =μmgcosθh/sinθ+μmg(S -h/tgθ)
∴μ= h / S
可见只需测出物体下滑的高度h,在水平方向上通过的位移S,代入公式即可计算出物体间的动摩擦因数μ。(斜面与水平面材料相同)
http://s12/middle/81618e3bga8972062ebfb&690
二、实验器材
长木板两块、铁架台、接触介质(硬纸板、棉布等)、小物块、刻度尺、重垂线、图钉若干、宽胶带。
三、实验步骤
(1)组装如图2所示实验装置,在两木板接缝处用宽胶带相连。使板间过渡平滑,尽量减少不必要的能量损失。
(2)将接触介质(硬纸板、棉布等)用图钉固定在斜面和水平木板的表面,调节斜面倾角使物体能在斜面上无初速下滑并最终停在水平面上。
(3)确定下滑点A,并利用重垂线找出A所对应的垂点O。
(4)将小物体由A点静止释放,当物体在水平面上停下后,找出最后静止点C。
(5)用刻度尺测量AO间高度h和OC间距离S,将测量结果填入表格
http://s7/middle/81618e3bga8972148eb66&690
研究______与______间的动摩擦因数
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1 |
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h(高度) |
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S(水平分位移) |
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μ |
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μ(平均) |
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(6)根据测量结果,利用公式μ= h / S,求μ。
(7)改变物体下滑的高度再次求μ ,反复三次求平均。
注意事项:1、斜面倾角不应太大,以尽量减少转弯处的能量损失。
2、应适当选取物块和接触介质(即确保合适的μ值),使实验效果明显。
四、教学情况反馈
利用该方法测量物体间的动摩擦因数原理简单,操作方便灵活。即可作为课堂演示实验,也可以配合新教材作为学生实验及研究性学习内容,教学效果良好,很好的激发了学生学习物理、研究物理的积极性。