SciSimulator
返回實驗

探究滑動摩擦力的影響因素 指南

物理初級閱讀時間: 3 分鐘

概述

推重物為什麼比輕物更費力？在冰面走路為什麼容易打滑？這是物理學中「滑動摩擦力」在起作用。本實驗通過經典的「控制變量法」，帶你拆解影響摩擦力的三大變量：壓力、粗糙度、接觸面積。你將親手實驗，找出誰才是真正的決定因素，誰又是干擾我們的錯覺。

背景知識

  • 15世紀：達文西 (Leonardo da Vinci) 最早對摩擦力進行了系統研究，提出了摩擦力與壓力成正比、與接觸面積無關的初步猜想。
  • 1699年：法國物理學家阿蒙頓 (Guillaume Amontons) 重新發現了摩擦定律，並提出了粗糙表面咬合的摩擦機理。
  • 1785年：庫侖 (Charles-Augustin de Coulomb) 進一步通過實驗區分了靜摩擦和動摩擦，完善了經典的摩擦理論。

核心概念

滑動摩擦力 (Kinetic Friction)

當兩個相互接觸的物體發生相對滑動時，在接觸面上產生的阻礙相對運動的力。

正壓力 (Normal Force, NN)

垂直作用在物體接觸面上的力。在本實驗的水平桌面上，正壓力的大小等於物體的重力。

動摩擦係數 (μ\mu)

反映接觸面粗糙程度的參數，由接觸面的材質決定（如木頭對木頭、木頭對毛巾）。

公式與推導

滑動摩擦力計算公式

f=μNf = \mu N
摩擦力隨著動摩擦係數（粗糙程度）和正壓力的增大而增大。

二力平衡原理

Fpull=fF_{\text{pull}} = f
當物體做「等速直線運動」時，拉力與摩擦力平衡，此時測力計示數即等於摩擦力大小。

實驗步驟

  1. 1

    探究正壓力 (NN)

    保持木板面不變，依次在木塊上添加 1 個、2 個鉤碼，點擊「等速拉動」。觀察示數的變化：壓力越大，摩擦力也越大。
  2. 2

    探究粗糙程度

    移出鉤碼，將接觸面從「木板」切換為「毛巾」。由於毛巾更為粗糙（μ\mu 增大），你會發現即便壓力沒變，摩擦力也顯著增加了。
  3. 3

    探究接觸面積 (SS)

    這是一個關鍵的思維陷阱。保持木板面和壓力不變，將木板由「平放」改為「側放」。觀察測力計：示數竟然保持不變。結論：滑動摩擦力與接觸面積的大小無關。

學習目標

  • 掌握滑動摩擦力的兩個決定條件：正壓力和接觸面粗糙程度
  • 學會利用等速直線運動狀態測量力的動態平衡
  • 明確摩擦力與接觸面積、運動速度（在一定範圍內）無關
  • 理解控制變量法在物理實驗中的核心應用方法

生活應用

  • 汽車煞車：通過增大摩擦片對轉盤的正壓力來縮短煞車距離
  • 鞋底紋路：加深紋路是為了增大接觸面的粗糙程度（μ\mu），從而防滑
  • 傳送帶：運送貨物時，通過壓緊皮帶或增加皮帶粗糙度防止打滑

常見誤區

誤區
接觸面積越大，滑動摩擦力就越大
正解
錯誤。雖然接觸面積增大會增加接觸點數量，但每個點受到的壓力隨之減小，兩者相互抵消。實驗證明滑動摩擦力與面積無關。
誤區
摩擦力總是阻礙物體運動的
正解
錯誤。摩擦力阻礙的是「相對」運動，但有時它是提供動力（如走路時脚向後蹬地，地面給人的摩擦力是向前的）。

延伸閱讀

準備好了嗎？

現在你已經了解了基礎知識，開始動手實驗吧！

開始實驗開始練習