不同因素對動摩擦系數的影響探究
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摘 要：通過具體的實驗來探究影響不同因素對動摩擦因數的影響，即分別開展變量為溫度、體積和材料的實驗來探究這三種變量對動摩擦因數具體的影響。實驗結果表明：隨著溫度的上升，動摩擦因數會明顯下降;不同材料之間的動摩擦因數變化很大;體積對動摩擦因數沒有明顯的影響。
關鍵詞：動摩擦因數;溫度;體積;材料
中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.17.102
0 引言
在中學階段介紹的動摩擦力計算公式是μ=f/N（f為動摩擦力，N為正壓力，下同），但是這個公式僅僅是一個粗略計算摩擦力的經驗公式[1]，并不能反應動摩擦因數受哪些變量的影響，隨著研究的深入，摩擦力的公式會變得越來越復雜。動摩擦因數其實受很多因素的影響，這可以用一個多元函數來表示：μ=f（T，ρ，P…）（T為溫度，ρ為密度，P為壓強，下同）。根據現有公開資料，幾乎沒有具體研究不同變量對動摩擦因數影響的文獻資料。本文根據這一情況，通過實驗的手段，具體研究接觸物溫度、施壓物體積、不同接觸材料等變量對動摩擦因數的影響，為動摩擦因數的研究提供數據支撐。
1 實驗原理及系統
本文探究三種變量（即溫度、體積和材料）對動摩擦因數的影響，并采用相似的實驗系統，即安排上下兩個不同物體，通過測出它們之間的支持力N、摩擦力f，再根據公式μ=f/N求出動摩擦系數μ。
1.1 探究溫度對摩擦系數影響的系統及原理
本實驗探究實驗溫度分別為：-18℃、常溫（約15℃）、大火加熱鐵板3分鐘（約300℃），讓鐵板在這三個溫度之間變化。本實驗系統主要的實驗對象是兩塊相同的鐵板。
第一次將兩塊鐵板放入冰箱冷凍柜中足夠久的時間，目的是使其溫度降為-18℃。然后將一塊鐵板置于水平地面，另一塊水平放置在第一塊鐵板上，用彈簧測力計水平拉動上面的鐵板，測出其間的滑動摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間的壓力），最后根據公式μ=f/N，求得動摩擦系數μ。
第二次將兩塊鐵板置于室內足夠久的時間，目的是使其溫度與室溫一致，約為15℃。將一塊鐵板置于水平地面，另一塊水平放置在第一塊鐵板上，用彈簧測力計水平拉動上面的鐵板，測出其間的滑動摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間壓力），最后根據公式μ=f/N，求得動摩擦系數μ。
第三次將兩塊鐵板置于煤氣灶上，開大火灼燒3分鐘，目的是將鐵板溫度加熱至約300℃。將其置于水平地面，另一塊水平放置在第一塊鐵板上，用彈簧測力計水平拉動上面的鐵板，測出其間的滑動摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間壓力），最后根據公式μ=f/N，求得動摩擦系數μ。
1.2 探究材料對摩擦系數影響的系統及原理
本實驗探究的不同材料分別為：木板、鐵板。分別讓木板與鐵板上下疊放并讓它們進行相對運動，通過測出兩板之間的壓力和摩擦力，求出動摩擦系數μ。本實驗主要對象是兩塊鐵板與一塊木板。
第一次將木板置于水平地面上，取一塊鐵板水平放置在木板上，用彈簧測力計水平拉動上面的鐵板，測出其間的滑動摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間壓力），最后根據公式μ=f/N，求得動摩擦系數μ。
第二次將一塊鐵板置于水平地面上，取另一塊鐵板水平放置在第一塊鐵板上，用彈簧測力計水平拉動上面的鐵板，測出其間的滑動摩擦力f，再測出鐵板的重力N（其值即為兩塊板之間壓力），最后根據公式μ=f/N，求得動摩擦系數μ。
1.3 探究體積對摩擦系數影響的系統及原理
本實驗探究的變量為體積，體積分別為V1（320g砝碼+740g鐵板的體積）與V2（320g紙張+740g鐵板的體積），V2>V1。將不同的物體堆疊在一起，測出其整體所受摩擦力，最終求出動摩擦系數μ。本實驗主要對象為：740g鐵板、320g砝碼、320g紙張。
取重320g的砝碼及鐵板一塊（740g），將砝碼置于鐵板上并固定住，鐵板置于水平地面上，用彈簧測力計水平拉動鐵板，測出摩擦力f，最后根據公式μ=f/N，求得動摩擦系數μ。
取重320g的紙張及鐵板一塊（740g），將紙張置于鐵板上并固定住，鐵板置于水平地面上，用彈簧測力計水平拉動鐵板，測出摩擦力f，最后根據公式μ=f/N，求得動摩擦系數μ。
2 數據處理方法
每組變量實驗均重復進行五次，以減小偶然誤差，然后將數據記錄到Excel表格中，分別求出5次重復實驗的動摩擦因數μ，最后將5次重復實驗的動摩擦因數繪制成散點圖。
3 結果及討論
3.1 溫度對摩擦系數的影響
經過5次重復實驗，得出鐵板溫度為-18℃時，平均動摩擦因數為0.223。
經過5次重復實驗，得出鐵板溫度為15℃時，平均動摩擦因數為0.124。
經過5次重復實驗，得出鐵板溫度約為300℃時，平均動摩擦因數為0.111。
通過對比3組不同溫度實驗結果，發現溫度對動摩擦因素有明顯的影響。即隨著溫度上升，動摩擦因素不斷下降。實驗結果與本文實驗前設想的結果相反，本文設想溫度越高，分子運動越活越，接觸面分子接觸碰撞次數增加，摩擦力應該增大。
3.2 材料對摩擦系數的影響
經過5次重復性實驗，得出兩塊鋼板之間平均動摩擦因數為0.124。
經過5次重復性實驗，得出鋼板與木板之間平均動摩擦因數為0.277。
兩塊鋼板的動摩擦因數明顯地比鋼板與木板之間的動摩擦因數小，這與本文實驗前的設想一致，從這兩種材料外表可以明顯的看出：兩塊鋼板之間接觸面與鋼板與木板之間接觸面相比較為光滑，動摩擦系數小。
3.3 體積對摩擦系數的影響
經過5次重復性實驗，得出體積為V1時，物體的平均動摩擦因數為0.252。
經過5次重復性實驗，得出體積為V2時，物體的平均動摩擦因數為0.250。
通過兩組不同體積的實驗結果，體積對動摩擦因數的影響很小，幾乎沒有影響。本文實驗前設想體積變大，受到空氣浮力也會變大，導致接觸面之間的正壓力減小，動摩擦因數會減小。因空氣密度較小，體積變化也較小，物體所受浮力變化也非常小，正壓力變化不明顯，故動摩擦因數的變化為幾乎不變。
4 結論
本文開展了三個不同因素對動摩擦因數影響的實驗，并都經過5組重復性實驗，最后得出的結論如下：
（1）溫度對動摩擦因數有明顯的影響，即隨溫度的上升而動摩擦因數下降;
?。?）材料對動摩擦因數有明顯的影響，即接觸面粗糙程度不同而動摩擦因數不同。本實驗的結果表現為，鐵板與木板之間的動摩擦因數明顯大于鐵板與鐵板間的動摩擦因數;
?。?）體積對動摩擦因數幾乎沒有影響。
5 展望
根據本文開展的實驗，初步得出了溫度、體積和材料這三種變量對動摩擦因數的影響。未來，可以從兩個方面進一步探究不同變量對動摩擦因素的影響，即：
（1）設置更多溫度梯度、更多不同材料之間的實驗，進一步探究這些變量對動摩擦因數的具體影響;
（2）探究更多變量（如濕度、振動和壓強等）對動摩擦因數的具體影響。
參考文獻
[1]方程.費恩曼物理學講義[M].上海：上?？茖W技術出版社，2005.
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