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动摩擦因数的几种测量方法 高中物理实验中动摩擦因数的测量方法进行分类整理如下: 方法一:利用平衡条件求解。在学习过计算滑动摩擦力公式f=μN之后,可以利用平衡条件进行实验。 P 2 2 3 3 例1:如图1所示,甲、乙两图表示用同一套器材测量铁块P与长金属板之间的动摩擦因数的两种不同方法。已知铁块P所受重力大小为5N,甲图使金属板静止在水平桌面上,用手通过弹簧秤向右拉P,使P向右运动;乙图把弹簧秤的一端固定在墙上,用力水平向左拉金属板,使金属板向左运动。 F 图1 你认为两种方法比较,哪种方法可行?你判断的理由是。图中已经把两种方法中弹簧秤的示数(单位:N)情况放大画出,则铁块P与金属板间的动摩擦因数的大小是 分析与解答:以铁块P为研究对象,显然,在甲图所示方法下,弹簧秤对铁块P的拉力只有在铁块匀速前进时才等于滑动摩擦力的大小,但这种操作方式很难保证铁块P匀速前进。而在乙图所示方法下,不论金属板如何运动,铁块P总是处于平衡状态,弹簧秤的示数等于铁块所受滑动摩擦力的大小,故第二种方法切实可行,铁块所受摩擦力f=2.45N。 由于铁块在水平方向运动,其在竖直方向受力平衡,故此时正压力在数值上等于铁块所受重力大小,即N=5N,由f=μN得 方法二:利用牛顿运动定律求解 图2 例2:为了测量小木块和斜面间的动摩擦因数,某同学设计了如图2所示的实验:在小木块上固定一个弹簧秤(弹簧秤的质量不计),弹簧秤下吊一个光滑小球,将木板连同小球一起放在斜面上,如图所示,用手固定住木板时,弹簧秤的示数为F1,放手后木板沿斜面下滑,稳定时弹簧秤的示数为F2,测得斜面的倾角为,由测量的数据可以计算出小木板跟斜面间的动摩擦因数是多少? 分析与解答:对小球,当装置固定不动时,据平衡条件有F1=mgsinθ① 当整个装置加速下滑时,小球加速度②,亦即整体加速度,所以对整个装置有a=gsinθ-μgcosθ得 ③ 把①、②两式代入③式得 θ 图3 方法三:利用动力学方法求解 例3:为测量木块与斜面之间的动摩擦因数,某同学让木块从斜面上端由静止开始匀加速下滑,如图3所示,他使用的实验器材仅限于(1)倾角固定的斜面(倾角已知),(2)木块,(3)秒表,(4)米尺。 实验中应记录的数据是。 计算动摩擦因数的公式是=。 为了减少测量的误差,可采用的办法是 。 分析与解答:本题可从以下角度思考: 由运动学公式知,只要测出斜边长S和下滑时间t,则可以计算出加速度。再由牛顿第二定律可以写出加速度的表达式。将此式代入得动摩擦因数的表达式。 故本题答案为:斜边长S和下滑时间t,、多次测量取平均值 方法四:利用纸带求解。借助打点计时器,计算出加速度,再由牛顿第二定律求解。 图4 例4:一打点计时器固定在斜面上某处,一小车拖着穿过打点计时器的纸带从斜面上滑下,如图4,图5是打出的纸带一段,其中g为当地重力加速度。 1.已知打点计时器使用的交流电频率为50HZ,利用图2给出的数据可求出小车下滑的加速度a=m/s2. 2.为了求出小车下滑过程中所受的阻力,还需测量的物理量有。 图5 3、用测得的量及加速度a表示动摩擦因数的计算式为μ= 分析与解答:从纸带可以很方便计算出 由牛顿第二定律可以写出加速度的表达式,可见,还需要知道斜面倾角的正弦和余弦值。在此,可以利用直尺测出斜面上任意两点间距离l及这两点的高度差h,用l和h表示函数值,即 ,化简得 方法五:利用动能定理求解动摩擦因数 α A B C h S1 S2 图6 例5:如图6所示,小滑块从斜面顶点A由静止滑至水平部分C点而停止。已知斜面高为h,滑块运动的整个水平距离为s,设转角B处无动能损失,斜面和水平部分与小滑块的动摩擦因数相同,求此动摩擦因数。 分析与解答:滑块从A点滑到C点,只有重力和摩擦力做功,设滑块质量为m,动摩擦因数为μ,斜面倾角为α,斜面底边长S1,水平部分长S2,由动能定理得: mgh-μmgcosα·-μmgs2=0-0 化简得:h-μs1-μs2=0得μ= 从计算结果可以看出,只要测出斜面高和水平部分长度,即可计算出动摩擦因数。 α A B h S1 S2 图7 θ 例6:如图7所示的器材:木制轨道、其倾斜部分倾角较大,水平部分足够长,还有小铁块、两枚图钉、一条细线、一个量角器。设转角处无动能损失,斜面和水平部分与小滑块的动摩擦因数相同。用上述器材测定小铁块与木质轨道间的动摩擦因数。请你设计实验步骤,并推导出最后表达式。 实验步骤:①将小铁块从倾斜轨道上的某点A由静止释放,让其下滑,最后停止在水平面上的B点。 ②用图钉把细线固定在释放点A与铁块最后静止点B之间,并使线绷直。 ③用量角器测量细线与水平面之间的夹角,记为θ。 分析与解答:借助上例思路,不难得出最后结果为