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一、情景导入
炎热的夏日,某同学小明陪着母亲到银行取钱。为了增加室内的湿度,工作人员刚刚拖了地。物理常识告诉我们,没有摩擦力,你将寸步难行,而很小的摩擦力,除非你有很强的平衡能力,否则一切试图站起的行为都是徒劳——你必将摔得鼻青脸肿。小明也不例外,一进门便摔了一跤,闹出了不少洋相。至此,这一体验给小明了第一印象:物体表面有水时,会减小摩擦力。
来到柜台前,取钱过程很顺利,正当工作人员数钱的时候,一个不经意的细节引起了小明的注意:在她数钱时,她总会用食指站一下旁边小碗中的水,再数钱,对此小明有迷惑起来:水不是能减小摩擦吗?这样的话不是更不利于数钱了么?怀着这种疑问,小明回到家中,亲手体验一番:用蘸过水的手指数钱。当小明用湿润的手一张一张得数钱时,他惊奇的发现,手中丝毫没有纸币的滑腻感,相反,纸币摸起来更加粗糙,数钱更加的准确。于是,这体验又给小明了第二印象:在物体表面有水时,会增加物体表面的粗糙程度,从而增大摩擦力。
小明的体验让我们看到了水在摩擦中的两面性,而好奇心让我们开始了更深一层的探究:对于同一物质水是否能在不同条件下对摩擦力产生不同的影响?又究竟是什么原因导致水在摩擦中具有两面性?
由此,我们开始了关于水的“摩”力的探究。
二、内容摘要
由生活中观察到的一些现象,发现水在影响物体摩擦力时所体现的两面性,设计实验加以证明,进而探究影响水对物体间摩擦力作用的因素,初步判断在什么条件下,水会增大物体间的摩擦;在什么条件下,水会减小物体间的摩擦。
三、研究方案
(一)观察与思考
观察生活中有关水与摩擦的现象,思考产生现象的原因,并尝试性做出解释。
(二)实验与探究
根据生活中有关水与摩擦的现象,设计实验探究水与摩擦力的关系,在此基础上探究影响水与摩擦力关系的因素。
(三)总结与归纳
根据实验结果进行小组讨论,整理实验数据,归纳实验现象,得出初步的结论。
(四)查询与反思
上网搜索有关课题的资料,反思实验过程及结论。
四、研究正文
老子云:“上善若水,水善利万物而不争,处众人之所恶,故几于道。”从古至今,水总能予人以思考,示人以启迪。然而在这里,我们不讨论水的文学性与哲学性,水的魅力还在于其所具有的科学性。
从浮力定律到水力发电,从反应溶剂到电解水解,从生命之源到探索地外文明,水几乎涉及到科学的每一个领域。
而今天,我们仅仅将目光锁定在水的“摩力”上,着力探究水对摩擦力产生不同影响的条件及原因。
以下是我们为探究水的“摩力”而进行的三个实验。
实验一:探究水平桌面上加水量与摩擦力的关系
实验目的:简易地研究水平表面上水对滑动物块摩擦力的影响
实验用品:某底盘较平整物品A、橡皮筋(代替弹簧秤)、吸管(代替滴管)、螺丝刀(用来拉动橡皮筋)、刻度尺、适量水
实验过程:
(1)将物品A放在水平桌面上并用橡皮筋系住。
(2)拉动橡皮筋使物品A做匀速直线运动,用刻度尺测出橡皮筋长度并记录于表1。
(3)依次用吸管在物品A底部滴一滴水、两滴水、四滴水和八滴水,分别拉动橡皮筋使之做匀速运动,用刻度尺测出橡皮筋长度记录于表1-1。
结论:水与摩擦力的关系与水的多少有关,水少能增大摩擦力,水多则减少摩擦力。
实验反思:
在此实验中选取的实验材料都是日常生活用品,简易方便,但是同时会增加实验误差。而且分析所得的数据,只能定性判断水与摩擦力之间的关系。考虑到水具有的张力以及物品吸水后物性的细微变化,我们还需进行更进一步的实验。
实验二:探究细沙与水不同比例混合后表面摩擦系数变化规律
实验目的:通过测量细沙的摩擦系数来进一步探究水与摩擦力的关系
实验用具:托盘天平、烧杯、量筒、铁架台、漏斗、刻度尺、白纸、记号笔、细沙、水
实验过程:
(1)用天平测得烧杯的质量。
(2)用天平称取200g细沙。
(3)将漏斗固定在铁架台的铁圈上,在漏斗下方的桌面垫上白纸。将细沙倒入漏斗内,形成圆锥后,调整漏斗高度略高于沙丘顶部,使真正实验时沙子的冲力尽可能减小。将沙子回收后用记号笔在白纸上描点,使该点位于漏斗的正下方。
(4)将称量好的细沙倒入漏斗内,使之下漏到白纸上形成圆锥型沙堆,用记号笔及刻度尺测出圆锥沙堆的底面半径R及母线L(多次测量取平均值),记录于表2-1。
(5)多次用天平稱取200g细沙,依次加入2mL水、4mL水,搅拌均匀。
(6)重复步骤(4)。
(7)根据表中数据计算圆锥母线与水平面所成角θ的tan值,根据对沙子的受力分析,tanθ即等于沙子表面的摩擦系数μ。
计算公式:
因为沙子在沙堆表面保持静止,所以沙子受到重力沿斜面向下的分力等于沙子受到的摩擦力,即mg sinθ=μmg cosθ得到μ=tanθ,试验数据记录见下表2-1:
结论:少量水会增大沙子表面的摩擦系数,从而增大沙子间的摩擦力。
实验反思:
我们小组通过能自由移动的沙子较为准确地定量测出了沙子表面摩擦系数的变化规律。实验结果比预想的还要好,颗粒极小的细沙堆积成形状规则的圆锥形。相比于之前的简易实验,细沙摩擦系数增加得极为明显,有力地证明了水增大摩擦的效果。接下来,我们需要证明水减小摩擦的效果。
实验三:探究小车在不同湿度斜面上所受摩擦力大小的变化 实验目的:通过计算小车所受摩擦力定量判断水对摩擦力的影响
实验用具:托盘天平及砝码、小车、斜面、小木块、电火花打点计时器、固定架、220V交流电源、纸带、复写纸、刻度尺、记号笔、水、烧杯、抹布
实验过程:
(1)用天平测量小车的质量,用刻度尺测量斜面的长度及高度,取重力加速度g为10m/s?,将数据记录于表2-2。
(2)用固定架将打点计时器固定于斜面顶端,把纸带穿过打点计时器,连在小车的后面。
(3)把小车停在靠近打点计时器的位置(控制高度相同)。启动计时器,然后放开小车,让它拖着纸带运动。当小车运动到斜面底部时立即关闭电源。重复此操作。
(4)用湿抹布轻抹斜面,使之湿润。换上新纸带,重复步骤(3)。
(5)用湿抹布重抹斜面,使其表面颜色更深。换上新纸带,重复步骤(3)。
(6)用烧杯取足量水浇在斜面上,使其表面形成一层水膜,重复步骤(3)。
(7)处理所得的纸带,计算出小车的加速度a及受到的摩擦力f,将数据记录于表2-3。
由此,我们可以发现摩擦力随斜面表面水量的改变所呈现的变化趋势(见下图):
结论:水对摩擦力的影响与水的多少有关,在一定范围内,随着水量的增加,水对物体相对运动的阻碍增强;超过该范围后,随着水量的增加,水对物体相对运动的阻碍减弱,按其趋势最终将促进物体相对运动。
实验反思:
为什么在小车实验中我们没有得到水减小物体间原始摩擦力的现象?经过讨论,我们认为其主要原因在于斜面的构造。由于斜面是倾斜的,当我们在上面浇水后,水会顺着斜面往下流动,如此一来斜面上便形成不了我们理想中的“水膜”,因而没有达到预期的效果。但幸运的是,我们得到了摩擦先增大后减小的情况,经过合理外推,可以得出当水达到一定的量时会减小物体间原始摩擦的结论。
五、实验回顾
首先,我们决定用一个简易的实验来定性的探究水的摩擦变化。然而,实验物品的选择成了第一个问题。橡皮筋和吸管首先被决定下来,而滑动物块的选择却犯了难。选择的物块既要有平整的表面,又需要有能勾住橡皮筋的部件。由于实验是寒假期间在家中进行,这样的器材并不好找,最终,我们采用底部有吸水材料的铅笔刨来进行实验,可喜的是,实验数据符合我们的预想,并没有出现由于材料吸水而摩擦一直增大的情况。
接下来,我们打算从水增大摩擦和减小摩擦两个方面分别建立实验。经过讨论,增大摩擦实验我们决定用沙子自由下落形成锥体的模型来进行,而减小摩擦实验由联想到雨天路面打滑的情景我们决定借此通过小车在斜面上运动来模拟。
沙漏实验中我们初选的原材料是学校操场沙坑中的石英砂,颗粒大且较为沉重,开始进行的实验效果并不理想。有时甚至同一沙丘测出的半径会相差近一厘米,这样的误差是不能忍受的。为了寻找更好的替代品,我们找到了化学实验室中的消防沙,消防沙是理想的材料,颗粒极细,形成的圆锥几乎完美,就这样,材料的问题解决了。
由于经验不足,开始在加水时我们将200克沙加水以20毫升为间距进行实验,结果第一次加了20毫升后便出现了意料之外的情况:水分过多导致消防沙结块,堵在漏洞口不下漏。最终,我们决定用2毫升为间距进行实验,数据显示,水增大摩擦的效果极为明显。
小车实验在高一已有涉及,实验时做起来轻车熟路,但加水环节出现了问题。在干燥时纸带与木板之间的摩擦可忽略不及,然而一旦木板表面出现水膜,其摩擦便以几何倍数增大,甚至出现纸带贴附在木板上,小车停止运动的情况。倘若在擦拭木板時只擦拭木板两侧,即小车车轮经过的路径,那弱水和中水环境下还没什么问题,但强水环境下是绝对做不到的。最终,我们采用将绝水材料贴在木板中央,使纸带与木板不直接接触解决了这个问题。
实验结果显示:水对摩擦力的影响与水的多少有关,在一定范围内,随着水量的增加,水对物体相对运动的阻碍增强;超过该范围后,随着水量的增加,水对物体相对运动的阻碍减弱,最终将促进物体相对运动。
似乎一切都水落石出了,然而我们又有了新的疑惑:究竟这个所谓的“范围”具体是怎样的?通过小组讨论与资料的搜索,我们认为,这个范围与物体的吸水性和水的表面张力有关。当物体接触面上有少量水存在时,将水与相对运动的两个物体表面看做一个整体,由于水的张力(1),水在物体表面阻碍物体的相对运动,而当水渐渐增多时,水与空气的接触面与物体间的接触面逐渐脱离,于是这种阻碍作用就被大大削弱。同时,形成的水层又使物体间的接触不那么紧密,从而在一定程度上减小了摩擦。
此外,吸水性(2)对该临界值也有一定的影响。如家庭小实验中物体A的底面可以吸取及少量水,沙漏实验中的沙子可吸取一定量的水,小车实验中的斜面较容易吸水,在他们吸水的过程中,物体间的摩擦力都呈现增大趋势。
看似简单至极的三个实验,简单的器材,简单的设计,然而真正做起来才发现需要考虑的问题太多了。好在我们不用担心实验失败,将前一次实验出现的问题一个一个解决。设计实验的过程和简单地照课本的要求一步步进行大相径庭。相信有了这次的经验,将来会考虑得更加周到,谨慎地进行吧。
所以说,之前所说的临界情况应该是在物体尚处于吸水状态时至物体接触表面收水的张力影响较大时。这是我们最终得到的浅显结论,如有谬误,还望指正。
摩擦力这一课题已经被人们研究了几百年,但至今仍没有确切的解释.对这一问题的研究还需后人来完善,相信我们在日后的学习生活中也将继续对其保持关注,以期进一步揭示水“摩力”的奥秘。可以预见,时间,终会揭开水之“摩”力的神秘面纱。
(1)表面张力:是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0,但在表面水分子因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力,所以该分子所受合力不等于零,其合力方向垂直指向液体内部,结果导致液体表面具有自动缩小的趋势,这种收缩力称为表面张力。
(2)吸水性:指材料在水中能吸收水分的性质。材料在空气中能吸收水分,对于无机非金属材料除了和材料表面的化学性质有关外,还和材料形成的微结构有关,如毛细孔多,其吸湿能力就比较强。对于有机高分子材料也是如此,金属表面也有吸附水分子的性质,和金属元素的性质以及表面结构状态相关。如果物体质地较软、水容易渗透其间,就会使该物体表面发涩,变的更粗糙,从而摩擦力更大。
六研究心得
研究性学习总算尘埃落定,也算断断续续忙了一个来月。印象最为深刻的无疑是对于实验方案设计的讨论与实验中出现的重重阻碍。摩擦力,从初中到现在,已经和其接触了五六年,也算是老朋友,近来却发现,自己离这位老朋友似乎是越来越遥远了。才知道,自己如今学习的内容实在是太基础而理想化了。
回想起第一次方案讨论的时候,曾大言不惭地决定研究不同溶剂对水摩擦的影响、表面张力与促进润滑的模型等等不现实的浩大工程,倒是贻笑大方了。真正开始实验设计,精确到细节的过程最为锻炼人的思维以及统筹能力,考虑到各种因素的影响,连简单的“控制变量”也不容易实现。来到实验室,往往新问题一个接一个的出现,也浪费了许多的材料。
最大的收获是在实验设计中对于方式及器材的选取。个人看来,最为成功的便是对于“沙漏”实验的设计,借沙子自由流动的效果,巧妙地将摩擦系数转换为圆锥底部角的正切值,极为简单易行。而细小的沙子又将水增大摩擦的效果发挥到极致。相比之下小车实验对于数据的便较为繁琐,如果再有一次机会,也许这里我们会做得更好吧。
参考文献:
[1]物理必修1.人民教育出版社
[2]普朗特.《流体力学概论》
[3]新概念物理-力学卷.高教出版社
炎热的夏日,某同学小明陪着母亲到银行取钱。为了增加室内的湿度,工作人员刚刚拖了地。物理常识告诉我们,没有摩擦力,你将寸步难行,而很小的摩擦力,除非你有很强的平衡能力,否则一切试图站起的行为都是徒劳——你必将摔得鼻青脸肿。小明也不例外,一进门便摔了一跤,闹出了不少洋相。至此,这一体验给小明了第一印象:物体表面有水时,会减小摩擦力。
来到柜台前,取钱过程很顺利,正当工作人员数钱的时候,一个不经意的细节引起了小明的注意:在她数钱时,她总会用食指站一下旁边小碗中的水,再数钱,对此小明有迷惑起来:水不是能减小摩擦吗?这样的话不是更不利于数钱了么?怀着这种疑问,小明回到家中,亲手体验一番:用蘸过水的手指数钱。当小明用湿润的手一张一张得数钱时,他惊奇的发现,手中丝毫没有纸币的滑腻感,相反,纸币摸起来更加粗糙,数钱更加的准确。于是,这体验又给小明了第二印象:在物体表面有水时,会增加物体表面的粗糙程度,从而增大摩擦力。
小明的体验让我们看到了水在摩擦中的两面性,而好奇心让我们开始了更深一层的探究:对于同一物质水是否能在不同条件下对摩擦力产生不同的影响?又究竟是什么原因导致水在摩擦中具有两面性?
由此,我们开始了关于水的“摩”力的探究。
二、内容摘要
由生活中观察到的一些现象,发现水在影响物体摩擦力时所体现的两面性,设计实验加以证明,进而探究影响水对物体间摩擦力作用的因素,初步判断在什么条件下,水会增大物体间的摩擦;在什么条件下,水会减小物体间的摩擦。
三、研究方案
(一)观察与思考
观察生活中有关水与摩擦的现象,思考产生现象的原因,并尝试性做出解释。
(二)实验与探究
根据生活中有关水与摩擦的现象,设计实验探究水与摩擦力的关系,在此基础上探究影响水与摩擦力关系的因素。
(三)总结与归纳
根据实验结果进行小组讨论,整理实验数据,归纳实验现象,得出初步的结论。
(四)查询与反思
上网搜索有关课题的资料,反思实验过程及结论。
四、研究正文
老子云:“上善若水,水善利万物而不争,处众人之所恶,故几于道。”从古至今,水总能予人以思考,示人以启迪。然而在这里,我们不讨论水的文学性与哲学性,水的魅力还在于其所具有的科学性。
从浮力定律到水力发电,从反应溶剂到电解水解,从生命之源到探索地外文明,水几乎涉及到科学的每一个领域。
而今天,我们仅仅将目光锁定在水的“摩力”上,着力探究水对摩擦力产生不同影响的条件及原因。
以下是我们为探究水的“摩力”而进行的三个实验。
实验一:探究水平桌面上加水量与摩擦力的关系
实验目的:简易地研究水平表面上水对滑动物块摩擦力的影响
实验用品:某底盘较平整物品A、橡皮筋(代替弹簧秤)、吸管(代替滴管)、螺丝刀(用来拉动橡皮筋)、刻度尺、适量水
实验过程:
(1)将物品A放在水平桌面上并用橡皮筋系住。
(2)拉动橡皮筋使物品A做匀速直线运动,用刻度尺测出橡皮筋长度并记录于表1。
(3)依次用吸管在物品A底部滴一滴水、两滴水、四滴水和八滴水,分别拉动橡皮筋使之做匀速运动,用刻度尺测出橡皮筋长度记录于表1-1。
结论:水与摩擦力的关系与水的多少有关,水少能增大摩擦力,水多则减少摩擦力。
实验反思:
在此实验中选取的实验材料都是日常生活用品,简易方便,但是同时会增加实验误差。而且分析所得的数据,只能定性判断水与摩擦力之间的关系。考虑到水具有的张力以及物品吸水后物性的细微变化,我们还需进行更进一步的实验。
实验二:探究细沙与水不同比例混合后表面摩擦系数变化规律
实验目的:通过测量细沙的摩擦系数来进一步探究水与摩擦力的关系
实验用具:托盘天平、烧杯、量筒、铁架台、漏斗、刻度尺、白纸、记号笔、细沙、水
实验过程:
(1)用天平测得烧杯的质量。
(2)用天平称取200g细沙。
(3)将漏斗固定在铁架台的铁圈上,在漏斗下方的桌面垫上白纸。将细沙倒入漏斗内,形成圆锥后,调整漏斗高度略高于沙丘顶部,使真正实验时沙子的冲力尽可能减小。将沙子回收后用记号笔在白纸上描点,使该点位于漏斗的正下方。
(4)将称量好的细沙倒入漏斗内,使之下漏到白纸上形成圆锥型沙堆,用记号笔及刻度尺测出圆锥沙堆的底面半径R及母线L(多次测量取平均值),记录于表2-1。
(5)多次用天平稱取200g细沙,依次加入2mL水、4mL水,搅拌均匀。
(6)重复步骤(4)。
(7)根据表中数据计算圆锥母线与水平面所成角θ的tan值,根据对沙子的受力分析,tanθ即等于沙子表面的摩擦系数μ。
计算公式:
因为沙子在沙堆表面保持静止,所以沙子受到重力沿斜面向下的分力等于沙子受到的摩擦力,即mg sinθ=μmg cosθ得到μ=tanθ,试验数据记录见下表2-1:
结论:少量水会增大沙子表面的摩擦系数,从而增大沙子间的摩擦力。
实验反思:
我们小组通过能自由移动的沙子较为准确地定量测出了沙子表面摩擦系数的变化规律。实验结果比预想的还要好,颗粒极小的细沙堆积成形状规则的圆锥形。相比于之前的简易实验,细沙摩擦系数增加得极为明显,有力地证明了水增大摩擦的效果。接下来,我们需要证明水减小摩擦的效果。
实验三:探究小车在不同湿度斜面上所受摩擦力大小的变化 实验目的:通过计算小车所受摩擦力定量判断水对摩擦力的影响
实验用具:托盘天平及砝码、小车、斜面、小木块、电火花打点计时器、固定架、220V交流电源、纸带、复写纸、刻度尺、记号笔、水、烧杯、抹布
实验过程:
(1)用天平测量小车的质量,用刻度尺测量斜面的长度及高度,取重力加速度g为10m/s?,将数据记录于表2-2。
(2)用固定架将打点计时器固定于斜面顶端,把纸带穿过打点计时器,连在小车的后面。
(3)把小车停在靠近打点计时器的位置(控制高度相同)。启动计时器,然后放开小车,让它拖着纸带运动。当小车运动到斜面底部时立即关闭电源。重复此操作。
(4)用湿抹布轻抹斜面,使之湿润。换上新纸带,重复步骤(3)。
(5)用湿抹布重抹斜面,使其表面颜色更深。换上新纸带,重复步骤(3)。
(6)用烧杯取足量水浇在斜面上,使其表面形成一层水膜,重复步骤(3)。
(7)处理所得的纸带,计算出小车的加速度a及受到的摩擦力f,将数据记录于表2-3。
由此,我们可以发现摩擦力随斜面表面水量的改变所呈现的变化趋势(见下图):
结论:水对摩擦力的影响与水的多少有关,在一定范围内,随着水量的增加,水对物体相对运动的阻碍增强;超过该范围后,随着水量的增加,水对物体相对运动的阻碍减弱,按其趋势最终将促进物体相对运动。
实验反思:
为什么在小车实验中我们没有得到水减小物体间原始摩擦力的现象?经过讨论,我们认为其主要原因在于斜面的构造。由于斜面是倾斜的,当我们在上面浇水后,水会顺着斜面往下流动,如此一来斜面上便形成不了我们理想中的“水膜”,因而没有达到预期的效果。但幸运的是,我们得到了摩擦先增大后减小的情况,经过合理外推,可以得出当水达到一定的量时会减小物体间原始摩擦的结论。
五、实验回顾
首先,我们决定用一个简易的实验来定性的探究水的摩擦变化。然而,实验物品的选择成了第一个问题。橡皮筋和吸管首先被决定下来,而滑动物块的选择却犯了难。选择的物块既要有平整的表面,又需要有能勾住橡皮筋的部件。由于实验是寒假期间在家中进行,这样的器材并不好找,最终,我们采用底部有吸水材料的铅笔刨来进行实验,可喜的是,实验数据符合我们的预想,并没有出现由于材料吸水而摩擦一直增大的情况。
接下来,我们打算从水增大摩擦和减小摩擦两个方面分别建立实验。经过讨论,增大摩擦实验我们决定用沙子自由下落形成锥体的模型来进行,而减小摩擦实验由联想到雨天路面打滑的情景我们决定借此通过小车在斜面上运动来模拟。
沙漏实验中我们初选的原材料是学校操场沙坑中的石英砂,颗粒大且较为沉重,开始进行的实验效果并不理想。有时甚至同一沙丘测出的半径会相差近一厘米,这样的误差是不能忍受的。为了寻找更好的替代品,我们找到了化学实验室中的消防沙,消防沙是理想的材料,颗粒极细,形成的圆锥几乎完美,就这样,材料的问题解决了。
由于经验不足,开始在加水时我们将200克沙加水以20毫升为间距进行实验,结果第一次加了20毫升后便出现了意料之外的情况:水分过多导致消防沙结块,堵在漏洞口不下漏。最终,我们决定用2毫升为间距进行实验,数据显示,水增大摩擦的效果极为明显。
小车实验在高一已有涉及,实验时做起来轻车熟路,但加水环节出现了问题。在干燥时纸带与木板之间的摩擦可忽略不及,然而一旦木板表面出现水膜,其摩擦便以几何倍数增大,甚至出现纸带贴附在木板上,小车停止运动的情况。倘若在擦拭木板時只擦拭木板两侧,即小车车轮经过的路径,那弱水和中水环境下还没什么问题,但强水环境下是绝对做不到的。最终,我们采用将绝水材料贴在木板中央,使纸带与木板不直接接触解决了这个问题。
实验结果显示:水对摩擦力的影响与水的多少有关,在一定范围内,随着水量的增加,水对物体相对运动的阻碍增强;超过该范围后,随着水量的增加,水对物体相对运动的阻碍减弱,最终将促进物体相对运动。
似乎一切都水落石出了,然而我们又有了新的疑惑:究竟这个所谓的“范围”具体是怎样的?通过小组讨论与资料的搜索,我们认为,这个范围与物体的吸水性和水的表面张力有关。当物体接触面上有少量水存在时,将水与相对运动的两个物体表面看做一个整体,由于水的张力(1),水在物体表面阻碍物体的相对运动,而当水渐渐增多时,水与空气的接触面与物体间的接触面逐渐脱离,于是这种阻碍作用就被大大削弱。同时,形成的水层又使物体间的接触不那么紧密,从而在一定程度上减小了摩擦。
此外,吸水性(2)对该临界值也有一定的影响。如家庭小实验中物体A的底面可以吸取及少量水,沙漏实验中的沙子可吸取一定量的水,小车实验中的斜面较容易吸水,在他们吸水的过程中,物体间的摩擦力都呈现增大趋势。
看似简单至极的三个实验,简单的器材,简单的设计,然而真正做起来才发现需要考虑的问题太多了。好在我们不用担心实验失败,将前一次实验出现的问题一个一个解决。设计实验的过程和简单地照课本的要求一步步进行大相径庭。相信有了这次的经验,将来会考虑得更加周到,谨慎地进行吧。
所以说,之前所说的临界情况应该是在物体尚处于吸水状态时至物体接触表面收水的张力影响较大时。这是我们最终得到的浅显结论,如有谬误,还望指正。
摩擦力这一课题已经被人们研究了几百年,但至今仍没有确切的解释.对这一问题的研究还需后人来完善,相信我们在日后的学习生活中也将继续对其保持关注,以期进一步揭示水“摩力”的奥秘。可以预见,时间,终会揭开水之“摩”力的神秘面纱。
(1)表面张力:是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0,但在表面水分子因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力,所以该分子所受合力不等于零,其合力方向垂直指向液体内部,结果导致液体表面具有自动缩小的趋势,这种收缩力称为表面张力。
(2)吸水性:指材料在水中能吸收水分的性质。材料在空气中能吸收水分,对于无机非金属材料除了和材料表面的化学性质有关外,还和材料形成的微结构有关,如毛细孔多,其吸湿能力就比较强。对于有机高分子材料也是如此,金属表面也有吸附水分子的性质,和金属元素的性质以及表面结构状态相关。如果物体质地较软、水容易渗透其间,就会使该物体表面发涩,变的更粗糙,从而摩擦力更大。
六研究心得
研究性学习总算尘埃落定,也算断断续续忙了一个来月。印象最为深刻的无疑是对于实验方案设计的讨论与实验中出现的重重阻碍。摩擦力,从初中到现在,已经和其接触了五六年,也算是老朋友,近来却发现,自己离这位老朋友似乎是越来越遥远了。才知道,自己如今学习的内容实在是太基础而理想化了。
回想起第一次方案讨论的时候,曾大言不惭地决定研究不同溶剂对水摩擦的影响、表面张力与促进润滑的模型等等不现实的浩大工程,倒是贻笑大方了。真正开始实验设计,精确到细节的过程最为锻炼人的思维以及统筹能力,考虑到各种因素的影响,连简单的“控制变量”也不容易实现。来到实验室,往往新问题一个接一个的出现,也浪费了许多的材料。
最大的收获是在实验设计中对于方式及器材的选取。个人看来,最为成功的便是对于“沙漏”实验的设计,借沙子自由流动的效果,巧妙地将摩擦系数转换为圆锥底部角的正切值,极为简单易行。而细小的沙子又将水增大摩擦的效果发挥到极致。相比之下小车实验对于数据的便较为繁琐,如果再有一次机会,也许这里我们会做得更好吧。
参考文献:
[1]物理必修1.人民教育出版社
[2]普朗特.《流体力学概论》
[3]新概念物理-力学卷.高教出版社