一种静摩擦力综合实验仪及实验方法与流程

本发明属于实验教学设备技术领域，更具体的说是涉及一种静摩擦力综合实验仪及实验方法。

背景技术：

力学是中学物理的主要内容之一，主要涉及力的大小、方向和作用点这三要素的分析和计算，而摩擦力是研究中学物理力学的基础。

对于中学物理摩擦力学的研究，现有的一些实验仪器，虽然在中学物理教学和教学仪器的发展中，起到了很大的促进作用。但是，这些实验仪器功能不够全面，演示效果欠缺，很难在课堂上令学生对静摩擦力进行全面的了解。

因此，如何提供一种静摩擦力综合实验仪及实验方法，较全面地实现中学物理力学中关于摩擦力的演示、研究和诠释，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种静摩擦力综合实验仪及实验方法，可以较全面地实现静摩擦力的演示，确定静摩擦力与压力关系、静摩擦力与粗糙度关系、静摩擦力与接触面积关系、静摩擦力与斜坡板角度关系以及静摩擦力与拉力角度关系。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种静摩擦力综合实验仪，包括：实验仪主机和附件，

所述实验仪主机包括支架、拉绳高度调节器一、拉绳高度调节器二、量角器、斜坡板、丝杠斜坡板支杆、传动丝杠、联轴器和旋动手柄，所述拉绳高度调节器一安装在所述支架的首端，所述拉绳高度调节器二安装在所述支架的尾端；量角器固定在所述斜坡板轴端，且所述斜坡板通过转轴与所述量角器转动连接；所述丝杠斜坡板支杆一端通过滚轮与所述斜坡板滚动连接，另一端通过滑轨与所述支架滑动连接；所述丝杠斜坡板支杆上穿插有传动丝杠，并与所述传动丝杠螺纹连接，所述传动丝杠通过所述联轴器与所述旋动手柄相连；

所述附件包括滑块、拉绳和弹簧测力计，所述滑块置于所述斜坡板的上表面，所述拉绳一端与所述滑块相连，另一端架设在所述拉绳高度调节器上，并与所述弹簧测力计相连。

优选的，所述拉绳高度调节器一与所述拉绳高度调节器二结构相同，包括支撑杆、高度调节螺母、滑轮架和定滑轮，所述支撑杆连接在所述支架顶端，所述高度调节螺母套设在所述支撑杆上，并与所述支撑杆螺纹连接；所述滑轮架底端与所述高度调节螺母相连，顶端安装有所述定滑轮。旋转高度调节螺母可调节定滑轮的高度，从而改变拉绳与斜坡板的角度。

优选的，所述附件还包括固定质量块，所述滑块上方开设有坑槽，所述固定质量块设置于所述坑槽内。固定质量块的设置能够增加滑块与斜坡板间的摩擦力，将固定质量块置于坑槽内，避免了固定质量块的滑落。

优选的，所述斜坡板的侧面与所述量角器相对应的位置处设置有刻度线。通过斜坡板上刻度线与量角器上角度的比对，可测得斜坡板的转动角度。

一种静摩擦力综合实验方法，包括静摩擦力与压力关系、静摩擦力与粗糙度关系、静摩擦力与接触面积关系、静摩擦力与斜坡板角度关系以及静摩擦力与拉力角度关系的实验方法。

优选的，所述静摩擦力与压力关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤1.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架上，调节支架，使其水平；

步骤1.2：转动旋动手柄，引起传动丝杠的转动，带动丝杠斜坡板支杆沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板的角度，使斜坡板的刻度线的零位定位到量角器的零刻线；

步骤1.3：将滑块放置在斜坡板上，滑块与弹簧测力计通过拉绳连接，且拉绳架设在定滑轮上；

步骤1.4：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二上的定滑轮位置，使拉绳与斜坡板平行；

步骤1.5：水平或者倾斜向下拉弹簧测力计，使其达到最大静摩擦力时，记下弹簧测力计的度数；

步骤1.6：在滑块上放置不同质量的固定质量块，重复步骤1.5，确定静摩擦力与压力的关系。

优选的，所述静摩擦力与粗糙度关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤2.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架上，调节支架，使其水平；

步骤2.2：转动旋动手柄，引起传动丝杠的转动，带动丝杠斜坡板支杆沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板的角度，使斜坡板的刻度线的零位定位到量角器的零刻线；

步骤2.3：将滑块放置在斜坡板上，滑块与弹簧测力计通过拉绳连接，且拉绳架设在定滑轮上；

步骤2.4：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二上的定滑轮位置，使拉绳与斜坡板平行；

步骤2.5：在斜坡板的上表面固定不同粗糙度表面的斜坡板贴面，在滑块的下表面固定不同粗糙程度表面的滑块贴面，用粗糙度测量仪，测量粗糙度值；

步骤2.6：水平或者倾斜向下拉弹簧测力计，使其达到最大静摩擦力时，记下弹簧测力计的度数；

步骤2.7：在滑块上放置不同质量的固定质量块，重复步骤2.6，确定不同压力情况下，粗糙度对静摩擦力的影响，从而确定表面粗糙度与摩擦系数的关系，以及摩擦系数与最大静摩擦力的关系。

优选的，所述静摩擦力与接触面积关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤3.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架上，调节支架，使其水平；

步骤3.2：转动旋动手柄，引起传动丝杠的转动，带动丝杠斜坡板支杆沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板的角度，使斜坡板的刻度线的零位定位到量角器的零刻线；

步骤3.3：将滑块放置在斜坡板上，滑块与弹簧测力计通过拉绳连接，且拉绳架设在定滑轮上；

步骤3.4：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二上的定滑轮位置，使拉绳与斜坡板平行；

步骤3.5：水平或者倾斜向下拉弹簧测力计，使其达到最大静摩擦力时，记下弹簧测力计的度数；

步骤3.6：更换滑块的接触面，使滑块与斜坡板的接触面积不同，测试各个接触面的最大静摩擦力；

步骤3.7：重复步骤3.5和3.6，确定不同接触面情况下，接触面积对静摩擦力的影响，确定最大静摩擦力与接触面积的关系。

优选的，所述静摩擦力与斜坡板角度关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤4.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架上，调节支架，使其水平；

步骤4.2：转动旋动手柄，引起传动丝杠的转动，带动丝杠斜坡板支杆沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板的角度，使斜坡板的刻度线的零位定位到量角器的零刻线；

步骤4.3：将滑块放置在斜坡板上，滑块与弹簧测力计通过拉绳连接，且拉绳架设在定滑轮上；

步骤4.4：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二上的定滑轮位置，使拉绳与斜坡板平行；

步骤4.5：转动旋动手柄，引起传动丝杠的转动，带动丝杠斜坡板支杆沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板与水平面的角度，使刻度线的零位定位到量角器的角度刻线位置；

步骤4.6：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二的定滑轮位置，使拉绳与斜坡板再次平行；

步骤4.7：水平或者倾斜向下拉弹簧测力计，测试斜坡板不同角度情况下，滑块与斜坡板的静摩擦力，确定静摩擦力与斜坡板的角度关系。

优选的，所述静摩擦力与拉力角度关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤5.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架上，调节支架，使其水平；

步骤5.2：转动旋动手柄，引起传动丝杠的转动，带动丝杠斜坡板支杆沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板的角度，使斜坡板的刻度线的零位定位到量角器的零刻线；

步骤5.3：将滑块放置在斜坡板上，滑块与弹簧测力计通过拉绳连接，且拉绳架设在定滑轮上；

步骤5.4：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二上的定滑轮位置，使拉绳与斜坡板平行；

步骤5.5：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二中的定滑轮高度，使拉绳与斜坡板成一角度，利用量角器，测量拉绳与斜坡板的角度；

步骤5.6：测试固定斜坡板角度情况下，不同拉绳角度下的最大静摩擦力，或者测试固定拉绳角度下，不同斜坡板角度下的最大静摩擦力，确定最大静摩擦力与拉力角度的关系。

本发明的有益效果在于：

本发明结构简单，使用方便，通过拉绳高度调节器一和拉绳高度调节器二，可方便调节拉绳的角度；通过斜坡板、丝杠斜坡板支杆、传动丝杠、联轴器和旋动手柄，可方便调节斜坡板的角度，并能够通过量角器对斜坡板倾斜角度进行测量，功能全面，演示效果较好，能够在课堂上令学生对静摩擦力进行全面的了解，较全面地实现中学物理力学中关于摩擦力的演示、研究和诠释，解释静摩擦力与压力关系、静摩擦力与粗糙度关系、静摩擦力与接触面积关系、静摩擦力与斜坡板角度关系以及静摩擦力与拉力角度关系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的结构示意图。

图2附图为本发明的一种使用状态图。

图3附图为本发明的另一种使用状态图。

图4附图为本发明的再一种使用状态图

图5附图为本发明滑块与滑块贴面的分解图。

其中，图中，

1-支架；2-量角器；3-斜坡板；4-丝杠斜坡板支杆；5-传动丝杆；6-联轴器；7-旋动手柄；8-滑块；9-拉绳；10-弹簧测力计；11-支撑杆；12-高度调节螺母；14-滑轮架；15-定滑轮；16-固定质量块；17-坑槽；18-滑块贴面；19-滚轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1-5，本发明提供了一种静摩擦力综合实验仪及实验方法，包括：实验仪主机和附件，

实验仪主机包括支架1、拉绳高度调节器一、拉绳高度调节器二、量角器2、斜坡板3、丝杠斜坡板支杆4、传动丝杠5、联轴器6和旋动手柄7，拉绳高度调节器一安装在支架1的首端，拉绳高度调节器二安装在支架1的尾端；量角器2固定在支架1顶端，且斜坡板3通过转轴与量角器2转动连接，转动轴有一定阻尼，斜坡板3可以此轴的中心为转轴，进行旋转；丝杠斜坡板支杆4一端通过滚轮19与斜坡板3滚动连接，另一端通过滑轨与支架1滑动连接；丝杠斜坡板支杆4上穿插有传动丝杠5，并与传动丝杠5螺纹连接，传动丝杠5通过联轴器6与旋动手柄7相连；

附件包括滑块8、拉绳9和弹簧测力计10，滑块8置于斜坡板3的上表面，拉绳9一端与滑块8相连，另一端架设在拉绳高度调节器上，并与弹簧测力计10相连，通过弹簧测力计可实现对摩擦力定量的计算。

旋动手柄7与传动丝杠5通过联轴器6相连，旋转旋动手柄7，引起传动丝杠5转动，带动丝杠斜坡板支杆4沿固定的滑轨进行滑动，改变丝杠斜坡板支杆4顶端与水平的高度，从而推动斜坡板3，实现斜坡板3与沿水平线角度的变化，为实验提供初始条件。

在另一种实施例中，滚轮19采用尼龙或者金属材质，可以减小斜坡板3与丝杠斜坡板支杆4间的摩擦力，利于通过丝杠斜坡板支杆4改变斜坡板3的角度。

拉绳高度调节器一与拉升高度调节器二结构相同，包括支撑杆11、高度调节螺母12、滑轮架14和定滑轮15，支撑杆11连接在支架1顶端，高度调节螺母13套设在支撑杆11上，并与支撑杆11螺纹连接；滑轮架14底端与高度调节螺母12相连，顶端安装有定滑轮15。旋转高度调节螺母12可调节定滑轮15的高度，从而改变拉绳9与斜坡板3的角度。

在另一种实施例中，滑块8的端面固定安装有钩或环。通过设置在滑块8端面的钩或环，可方便拉绳9的固定。

在另一种实施例中，附件还包括固定质量块16，滑块8上方开设有坑槽17，固定质量块16设置于坑槽17内。固定质量块16的设置能够增加滑块8与斜坡板3间的摩擦力，将固定质量块16置于坑槽17内，避免了固定质量块16的滑落。另外，滑块8为长方体结构，其中相邻三个不同面积的面为标准平面，在另三个不同面积的面上，有对固定质量块16进行限位的坑槽17。

在另一种实施例中，滑块8材质可以采用金属、有机复合材料或者木质材料等。

在另一种实施例中，滑块8底面上设置有滑块贴面18，可改变滑块8与斜坡板3间的摩擦力。

在另一种实施例中，滑块贴面18采用弹簧或者橡皮筋，通过紧箍的方式，固定在滑块8上，从而方便滑块贴面18的安装、更换与拆卸。

在另一种实施例中，斜坡板3顶面上可以便捷固定不同粗糙度表面的斜坡板贴面，可改变滑块8与斜坡板3间的摩擦力。

在另一种实施例中，斜坡板贴面和滑块贴面18均采用片状形材料，包括玻璃、塑料、布片、砂纸、木板等中的一种，可根据需求进行选择，斜坡板贴面和滑块贴面18选用不同的材料，滑块8与斜坡板3间的摩擦力将会发生改变，从而增加了摩擦力演示的多样性。

在另一种实施例中，斜坡板3既可以采用铝、铁等金属材料，也可以采用塑料、合成纤维等有机材料，或者采用木板、胶合板等木质材料，不同的材料摩擦系数不同，增加了摩擦力演示的全面性。

在另一种实施例中，斜坡板3的侧面与量角器2相对应的位置处设置有刻度线。通过斜坡板3上刻度线与量角器2上角度的比对，可测得斜坡板3的转动角度。

在另一种实施例中，固定质量块16为几种不同质量的标准样品块，可以是标准砝码，也可以是单独加工的金属、有机材料或者木质材料的方形或者柱型样品块。

本发明还提供了一种静摩擦力综合实验方法，包括静摩擦力与压力关系、静摩擦力与粗糙度关系、静摩擦力与接触面积关系、静摩擦力与斜坡板角度关系以及静摩擦力与拉力角度关系的实验方法。

静摩擦力与压力关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤1.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架1上，通过调节支架1底部的桌角螺栓，使支架1水平；

步骤1.2：转动旋动手柄7，引起传动丝杠5的转动，带动丝杠斜坡板支杆4沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板3的角度，使斜坡板3的刻度线的零位定位到量角器2的零刻线；

步骤1.3：将滑块8放置在斜坡板3上，滑块8与弹簧测力计10通过拉绳9连接，且拉绳9架设在定滑轮15上；

步骤1.4：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二上的定滑轮15位置，使拉绳9与斜坡板3平行；

步骤1.5：水平或者倾斜向下拉弹簧测力计10，使其达到最大静摩擦力时，记下弹簧测力计10的度数；

步骤1.6：在滑块8上放置不同质量的固定质量块16，重复步骤1.5，确定静摩擦力与压力的关系。

静摩擦力与粗糙度关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤2.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架1上，通过调节支架1底部的桌角螺栓，使其水平；

步骤2.2：转动旋动手柄7，引起传动丝杠5的转动，带动丝杠斜坡板支杆4沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板3的角度，使斜坡板3的刻度线的零位定位到量角器2的零刻线；

步骤2.3：将滑块8放置在斜坡板3上，滑块8与弹簧测力计10通过拉绳9连接，且拉绳9架设在定滑轮15上；

步骤2.4：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二上的定滑轮15位置，使拉绳9与斜坡板3平行；

步骤2.5：在斜坡板3的上表面固定不同粗糙度表面的斜坡板贴面，在滑块8的下表面固定不同粗糙程度表面的滑块贴面18，用粗糙度测量仪，测量粗糙度值；

步骤2.6：水平或者倾斜向下拉弹簧测力计10，使其达到最大静摩擦力时，记下弹簧测力计10的度数；

步骤2.7：在滑块8上放置不同质量的固定质量块16，重复步骤2.6，确定不同压力情况下，粗糙度对静摩擦力的影响，从而确定表面粗糙度与摩擦系数的关系，以及摩擦系数与最大静摩擦力的关系。

静摩擦力与接触面积关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤3.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架1上，通过调节支架1底部的桌角螺栓，使其水平；

步骤3.2：转动旋动手柄7，引起传动丝杠5的转动，带动丝杠斜坡板支杆4沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板3的角度，使斜坡板3的刻度线的零位定位到量角器2的零刻线；

步骤3.3：将滑块8放置在斜坡板3上，滑块8与弹簧测力计10通过拉绳9连接，且拉绳9架设在定滑轮15上；

步骤3.4：调整拉绳高度调节器一或拉绳高度调节器二上的定滑轮15位置，使拉绳9与斜坡板3平行；

步骤3.5：水平或者倾斜向下拉弹簧测力计10，使其达到最大静摩擦力时，记下弹簧测力计10的度数；

步骤3.6：更换滑块8的接触面，使滑块8与斜坡板3的接触面积不同，测试各个接触面的最大静摩擦力；

步骤3.7：重复步骤3.5和3.6，确定不同接触面情况下，接触面积对静摩擦力的影响，确定最大静摩擦力与接触面积的关系。

静摩擦力与斜坡板角度关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤4.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架1上，通过调节支架1底部的桌角螺栓，使其水平；

步骤4.2：转动旋动手柄7，引起传动丝杠5的转动，带动丝杠斜坡板支杆4沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板3的角度，使斜坡板3的刻度线的零位定位到量角器2的零刻线；

步骤4.3：将滑块8放置在斜坡板3上，滑块8与弹簧测力计10通过拉绳9连接，且拉绳9架设在定滑轮15上；

步骤4.4：调整拉绳高度调节器二上的定滑轮15位置，使拉绳9与斜坡板3平行；

步骤4.5：转动旋动手柄7，引起传动丝杠5的转动，带动丝杠斜坡板支杆4沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板3与水平面的角度，使刻度线的零位定位到量角器2的角度刻线位置；

步骤4.6：调整拉绳拉绳高度调节器二的定滑轮15位置，使拉绳9与斜坡板3再次平行；

步骤4.7：水平或者倾斜向下拉弹簧测力计10，测试斜坡板3不同角度情况下，滑块8与斜坡板3的静摩擦力，确定静摩擦力与斜坡板3的角度关系。

步骤4.8：调转滑块8方向，令拉绳9通过拉绳高度调节器一中的定滑轮15，使拉绳9与斜坡板3平行；

步骤4.9：重复步骤4.7，分析最大静摩擦力产生差异的原因。

静摩擦力与拉力角度关系的实验方法，包括以下步骤：

步骤5.1：放置水平尺在静摩擦力综合仪的支架1上，通过调节支架1底部的桌角螺栓，使其水平；

步骤5.2：转动旋动手柄7，引起传动丝杠5的转动，带动丝杠斜坡板支杆4沿固定的轨道滑动，从而改变斜坡板3的角度，使斜坡板3的刻度线的零位定位到量角器2的零刻线；

步骤5.3：将滑块8放置在斜坡板3上，滑块8与弹簧测力计10通过拉绳9连接，且拉绳9架设在定滑轮15上；

步骤5.4：调整拉绳高度调节器二上的定滑轮15位置，使拉绳9与斜坡板3平行；

步骤5.5：调整拉绳高度调节器二中的定滑轮15高度，使拉绳9与斜坡板3成一角度，利用量角器2，测量拉绳9与斜坡板3的角度；

步骤5.6：测试固定斜坡板角度情况下，不同拉绳角度下的最大静摩擦力，或者测试固定拉绳角度下，不同斜坡板角度下的最大静摩擦力，确定最大静摩擦力与拉力角度的关系。

步骤5.7：调转滑块8方向，使拉绳9通过拉绳高度调节器一中的定滑轮15后，与弹簧测力计10相连；

步骤5.8：重复步骤5.6，分析二者最大静摩擦力产生差异的原因。

本发明结构简单，使用方便，通过拉绳高度调节器一和拉绳高度调节器二，可方便调节拉绳9的角度；通过斜坡板3、丝杠斜坡板支杆4、传动丝杠5、联轴器6和旋动手柄7，可方便调节斜坡板3的角度，并能够通过量角器2对斜坡板3倾斜角度进行测量，功能全面，演示效果较好，能够在课堂上令学生对静摩擦力进行全面的了解，较全面地实现中学物理力学中关于摩擦力的演示、研究和诠释，解释静摩擦力与压力关系、静摩擦力与粗糙度关系、静摩擦力与接触面积关系、静摩擦力与斜坡板角度关系以及静摩擦力与拉力角度关系。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。