专题19 实验：探究影响滑动摩擦力的因素

专题19  实验：探究影响滑动摩擦力的因素

探究影响滑动摩擦力的因素实验是初中物理中一个重要的实验，也是各省市每年中考中高频考点。通过实验，可以对摩擦力的理解更加充分，对突破摩擦力这个难点有着重要重作用。中考常常考查实验方案设计、数据分析和处理、实验结论、实验改进、滑动摩擦力大小的计算等知识点，题型多以实验为主。

1、实验装置图:

2、实验原理：二力平衡。

3、实验方法:

（1）控制变量法：

①研究滑动摩擦力的大小与压力的关系时，控制接触面的粗糙程度不变，改变压力的大小（如甲、乙两次实验）；

②研究滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度的关系时，控制压力的大小不变，改变接触面的粗糙程度（如甲、丙两次实验）。

（2）转换法：通过弹簧测力计示数的大小来反映滑动摩擦力的大小。

4、实验注意事项：

实验中要缓慢匀速拉动木块，因为只有匀速拉动时，弹簧测力计的示数才等于滑动摩擦力的大小。

5、实验结论：滑动摩擦力的大小与接触面的压力大小和接触面的粗糙程度有关。当接触面的粗糙程度不变时，接触面上的压力越大，滑动摩擦力就越大；当接触面上的压力不变时，接触面越粗糙，滑动摩擦力就越大。

6、交流与反思：

（1）实验中，实验中，很难保持物体做匀速直线运动，可以将装置做如下改进：如图，将弹簧测力计固定，拉动物体下面的长木板，这样不需要匀速拉动长木板，便于准确地读出弹簧测力计的示数，更为准确地测出摩擦力的大小。

（2）将长方体木块平放、侧放或立放可以研究滑动摩擦力的大小与接触面积大小的关系，得出的结论是：滑动摩擦力的大小与接触面积大小无关。在甲图实验的基础上，将木块沿竖直方向切下一半，不能探究滑动摩擦力大小于接触面面积的关系，因为切去一半，接触面积减小一半，同时压力也减小一半，即没有控制压力不变。

（3）改变拉动测力计的速度大小，可以探究滑动摩擦力的大小与运动速度的关系，得出的结论是：滑动摩擦力的大小与运动速度大小无关。

（4）另外，实验还会考查表格的设计、根据数据画图、对物体进行受力分析、摩擦力大小的变化等内容。

一、验证猜想类：

例题1  （2021湖北天门）某实验小组为了探究滑动摩擦力的大小与什么因素有关，进行了如下猜想：

A．可能与压力的大小有关； B．可能与接触面的粗糙程度有关； C．可能与接触面积有关。

他们设计了如下实验：（长方体木块每个面的粗糙程度相同）

（1）如图甲，小芳同学用弹簧测力计斜向上拉动长方体木块，使木块在水平木板上做匀速直线运动，读出弹簧测力计的示数，即为滑动摩擦力的大小。小明认为她的操作有误，此时的拉力与滑动摩擦力______（选填“是”或“不是”）一对平衡力，因为这两个力不在______上。

（2）小芳纠正错误后，重新实验，记录如下表实验次数1～3：

①为了探究猜想A，应选择实验次数______（填序号）；

②表格中第3次实验弹簧测力计的示数为______N（如图乙）；

③由2与3两次实验可知：______。

（3）小明探究猜想C，设计并完成了第4次实验，分析表中的记录得出滑动摩擦力的大小与接触面积无关，表中第4次实验①②两处的信息忘记填写，请你帮他完成______、______。

【答案】（1）不是    同一条直线   （2）1、3    2.4    滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关    （3）木块与木板    木块。   

【解析】（1）由图甲知，木块与木板之间存在摩擦力，而拉力的方向是斜向右上方，虽然木块做匀速直线运动，但拉力和摩擦力不在一条直线上，所以一定不是一对平衡力。

（2）①探究滑动摩擦力大小与压力的大小的关系，保持接触面的粗糙程度不变，压力大小不同，所以选择1、3两次。

②由图乙可知，弹簧测力计的分度值是0.2N，弹簧测力计的示数是2.4N。

③由2和3两次实验可知，保持压力相同、接触面粗糙程度不同，弹簧测力计的示数不同，摩擦力的大小不同，可以得到滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关。

（3）探究滑动摩擦力的大小与接触面积的关系，需要保持压力和接触面的粗糙程度相同，接触面积大小不同，比较1、4两次实验，①处为木块与木板，②处为木块。

【点拨】猜想的因素不一定和滑动摩擦力的大小有关，但是也是允许的，通过实验可以采用控制变量法来验证。通过大量实验表明：摩擦力的大小只与接触面的粗糙程度和压力大小有关，与接触面积大小、滑动的速度大小等因素无关。

对点练：（2020四川遂宁）在探究“滑动摩擦力的大小与哪些因素有关”的实验话动中，同学们提出了以下情想：

A．滑动摩擦力的大小可能与物体间接触面积大小有关

B．滑动摩擦力的大小可能与接触面的粗糙程度有关

C．滑动摩擦力的大小可能与压力大小有关

他们选择的器材有长方体木块，弹簧测力计，两个相同砝码、木板、毛巾等，实验中用弹簧测力计水平拉着木块在水平面做______运动，使摩擦力大小与弹簧测力计示数相等，收集的实验数据如下：

①分析表中______组实验数据，可以验证猜想B。

②分析2、3、4或8、9、10组实验数据，可得到的结论是：在压力和接触面粗糙程度相同时，滑动摩擦力大小与接触面积大小______（选填“有关”或“无关”）。

③综合分析表中数据可得出：滑动摩擦力大小只与______有关

二、实验改进类：

例题2  （2021贵州）瑞瑞同学用下图实验装置“探究影响滑动摩擦力大小的因素”，请你与他合作，回答下列问题：

（1）缓慢拉动木板B，直到物块A与木板B之间发生相对滑动，观察某时刻弹簧测力计示数（如图）为______N；

（2）若保持A、B间接触面粗糙程度、接触面积大小不变，在A上增加钩码，重复（1）操作，弹簧测力计示数变大，说明滑动摩擦力大小与______有关；

（3）若保持______不变，在B上分别铺棉布、毛巾，重复（1）操作，弹簧测力计示数发生变化，说明滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度有关；

（4）若保持A、B间压力大小、接触面粗糙程度不变，改变A、B间的接触面积大小，重复（1）操作，弹簧测力计示数不变，说明滑动摩擦力大小与______无关。

【答案】（1）3.4    （2）压力大小    （3）压力大小和接触面积大小   （4）接触面积大小   

【解析】（1）由图可知，弹簧测力计的分度值为0.2N，示数为3.4N。

（2）保持A、B间接触面粗糙程度、接触面积大小不变，在A上增加钩码，即增大力压力，弹簧测力计示数变大，则摩擦力增大，说明滑动摩擦力大小与压力大小有关。

（3）探究滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度的关系，应保持A、B间压力、接触面积大小不变，改变接触面的粗糙程度。

（4）保持A、B间压力大小、接触面粗糙程度不变，改变A、B间的接触面积大小，弹簧测力计示数不变，即摩擦力大小不变，说明滑动摩擦力大小与接触面积大小无关。

【点拨】该实验采用的装置的优点是：拉动B运动时，不需要做匀速直线运动，实验操作更方便，侧出的摩擦力更准确。

对点练：（2021黑龙江齐齐哈尔）为了探究滑动摩擦力大小与什么因素有关，小夏设计了如图1所示实验（实验所用棉布比木板表面粗糙）。

（1）实验过程中，弹簧测力计应沿水平方向拉着物块做______运动，根据______知识，可知滑动摩擦力的大小等于弹簧测力计的示数；

（2）在这四次实验中，滑动摩擦力最小的是______（选填“甲”、“乙”、“丙”或“丁”）；

（3）比较甲、乙两次实验，是为了探究滑动摩擦力大小与______是否有关；比较乙、丙两次实验，是为了探究滑动摩擦力大小与______是否有关；

（4）比较甲、丁两次实验，发现甲实验中弹簧测力计的示数大于丁实验中弹簧测力计的示数，小夏由此得出结论：滑动摩擦力大小与接触面积的大小有关。你认为他的结论是______的（选填“正确”或“错误”），理由是______ ；

（5）小夏对实验装置进行改进后，如图2所示，当他再进行实验时，发现效果更好。请你说出改进后的优点是______（写出一条即可）。

三、实验拓展类：

例题3 （2021江苏常州）常州某小学大门口，设有护学岗标志牌及其固定装置：铁杆左端固定在墙上、右端固定有铁夹，铁夹夹着重4N的护学岗标志牌，铁夹张开幅度越大，夹得越紧。放学时，值班教师用13N的力可将标志牌竖直向上匀速拔出，此过程中，标志牌杆受到铁夹的摩擦力方向 ______、大小为 ______N。雨天，标志牌杆拔出铁夹过程中受到铁夹的摩擦力会发生怎样的变化？同学们展开合理猜想：

猜想1：考虑到“雨天木质标志牌杆受潮膨胀”，导致标志牌杆拔出铁夹过程中，受到铁夹的摩擦力变大，理由是 ______；

猜想2：考虑到“雨天木质标志牌杆表面湿润”，导致标志牌杆拔出铁夹过程中，受到铁夹的摩擦力变小，理由是 ______；

同学们讨论后，认为猜想1、猜想2都合理，为确定哪一种猜想起主导作用，同学们先采用原始方案，测量时发现超出测力计的量程，于是设计出改进方案1、改进方案2，如图所示，每个滑轮重均为0.3N，不计绳重及滑轮处摩擦；

应采用改进方案 ______进行探究，实验时，匀速拔出过程中，测力计示数为4.4N，拔出后静止时，测力计示数为1.6N。淋湿、吸水后标志牌重为 ______N。雨天，标志牌杆拔出铁夹过程中受到铁夹的摩擦力为 ______N，猜想 ______起主导作用。

【答案】竖直向下    9    见解析    见解析    2    4.5    8.4    2   

【解析】用13N的力可将标志牌竖直向上匀速拔出，标志牌杆受到拉力、重力和摩擦力是平衡力，摩擦力的竖直向下，大小为f=F-G1=13N-4N=9N；

雨天木质标志牌杆受潮膨胀，铁夹和标志牌杆之间的压力增大，摩擦力增大。

雨天木质标志牌杆表面湿润，铁夹和标志牌杆之间接触面粗糙程度减小，摩擦力变小。

超出测力计的量程，说明铁夹和标志牌杆之间摩擦力较大，如果采用改进方案一，滑轮组都是定滑轮不能省力，不能使用测力计，采用改进方案二，滑轮组的动滑轮绕3段绳，可以省力。

拔出后静止时，测力计示数为1.6N。淋湿、吸水后标志牌重为G=3×1.6N-0.3N=4.5N

雨天，标志牌杆拔出铁夹过程中受到铁夹的摩擦力为f雨=3F雨-G-G动=3×4.4N-4.5N-0.3N

=8.4N，因为f雨＜f，所以雨天木质标志牌杆表面湿润导致标志牌杆拔出铁夹过程中，受到铁夹的摩擦力变小。所以猜想二起主导作用。

【点拨】对于拓展类实验，要根据拓展的实验装置、实验原理要认识清楚，只有这样，才能完成这类题目。

对点练：（2021四川内江）如图甲所示，是课外兴趣小组的同学们在探究“滑动摩擦力的大小与压力大小有什么关系”的实验装置图。跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧测力计相连，滑轮和木块间的细线保持水平，在木块上方放置砝码。缓慢向左拉动水平放置的木板，当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时，弹簧测力计的示数即等于木块受到的滑动摩擦力的大小。则：

（1）定滑轮的作用是改变力的方向，但不能改变力的___________；

（2）弹簧测力计的示数等于木块受到的滑动摩擦力大小的依据是：木块在水平方向上受到的力是一对___________（选填“平衡力”或“非平衡力”）：

（3）如图乙，是在某次实验中弹簧测力计的读数示意图，由此可知，木块与木板间的滑动摩擦力的大小是___________N；

（4）多次改变砝码的质量，探究得出：接触面粗糙程度相同时，压力越大，木块与木板间的滑动摩擦力___________（选填“越大”、“越小”或“不变”）。

1、（2021青海西宁）在探究“滑动摩擦力大小与哪些因素有关”的实验中，实验小组的同学用如图所示的装置和器材进行实验。

（1）实验中应该用弹簧测力计水平______（填“匀速”或“加速”）直线拉动木块在长木板上运动。根据______知识可知，此时木块所受滑动摩擦力大小等于弹簧测力计的示数；

（2）比较______两次实验可知，滑动摩擦力的大小跟接触面的粗糙程度有关；比较甲丙两次实验可知，滑动摩擦力的大小还跟______有关；

（3）同学们猜想：滑动摩擦力的大小还与接触面的面积有关。他们在图甲的基础上，将木块沿竖直方向切成两部分继续进行实验，将测得的数据记录在如下的表格中，分析数据验证自己的猜想。这种做法是______（填“正确”或“错误”）的，理由是______；

2、（2021江苏镇江）小华使用图甲装置来探究影响滑动摩擦力大小的因素。

（1）实验中，应沿_________方向拉动弹簧测力计，使木块在水平木板上作__________运动。

（2）某次正确实验中，弹簧测力计的指针位置如图乙所示，木块受到的滑动摩擦力大小为___________N，方向为___________。

（3）小华利用图丙中场景①和②来探究滑动摩擦力与压力的关系。请指出她在实验中明显的不当之处：___________。

（4）在某次实验中，小华拉动木块在木板上运动，木块运动的路程一时间图像如图丁所示。用和分别表示0～t1和t1～t2时间内簧测力计的示数，则可判断F1______（填“>”“=”或“<”）F2。

3、（2021辽宁）在探究“滑动摩擦力大小与哪些因素有关”的实验中，找来质量相同但表面粗糙程度不同的木块1、2和砝码若干。

（1）将木块1和2分别放到水平放置的长木板上，用弹簧测力计沿______方向匀速直线拉动木块。利用砝码改变木块对木板的压力重复上面的操作，将实验数据记录在表格中。由数据可得：当接触面粗糙程度一定时，滑动摩擦力与压力成______比。表格空白处数据应为______N，通过分析表格中的数据可以得出：对于粗糙程度不同的接触面，滑动摩擦力与压力的比值______（填“不同”或“相同”）。

（2）将木块1沿图中虚线切为两部分，将a部分放在b上，所测得的滑动摩擦力与没有切时相比将______（填“不变”“变大”或“变小”）。

（3）分别以速度v1和v2（v1>v2）在同一表面匀速直线拉动木块2，通过相同的路程两次拉力所做功的关系为W1______W2（填“<” “>”或“=”）。

4、（2021甘肃兰州）在学习了滑动摩擦力的知识后，小美想知道新买的运动鞋在橡胶垫上的滑动摩擦力大小，她准备了一张平整的橡胶垫、一个弹簧测力计和一根细线。

（1）为了能准确测量滑动摩擦力的大小，根据___________知识可知，小美应该让运动鞋沿水平方向做___________运动；

（2）如图甲所示，小美将运动鞋放在水平橡胶垫上，按正确的方法拉动，此时测出运动鞋受到的滑动摩擦力大小为___________N；

（3）若在实际拉动过程中运动鞋没有做匀速直线运动，则运动鞋所受滑动摩擦力的大小_________（选填“改变”或“不变”）；

（4）在老师的指导下，小美对甲图实验方案进行了改进，如图乙所示，她固定弹簧测力计，拉动鞋下的橡胶垫进行实验，这样做的好处是___________。

5、（2021黑龙江绥化）某同学利用如图所示装置探究“研究影响滑动摩擦力大小的因素”实验，他利用细线、长木板、两个完全相同的木块A、B和一个弹簧测力计，在水平台上进行实验。

（1）实验中用弹簧测力计水平拉动木块，使它沿长木板做_________运动，根据_________知识，可知弹簧测力计对木块的拉力与木块受到的滑动摩擦力大小相等。当停止拉动木块后，木块由于__________会继续运动。

（2）比较甲、乙两图，得出的结论是：当接触面的粗糙程度相同时，_____________越大，滑动摩擦力越大。

（3）比较乙、丙两图，得出的结论是：滑动摩擦力大小与接触面积大小____________。（选填“有关”或“无关”）

（4）在利用甲图装置进行实验时，拉动木块由静止到匀速直线运动过程中，弹簧测力计对木块的拉力F随时间t的变化图像如图丁所示。0～3s木块处于静止状态，3s后木块开始运动，分析图像可知，当木块所受拉力为0.4N时，木块处于____________状态。

6、（2021四川自贡）如图所示，在“探究滑动摩擦力大小与什么因素有关的实验”中：

（1）实验过程中，用弹簧测力计沿水平方向拉着物块A做匀速直线运动，此时滑动摩擦力大小______（选填“大于”“等于”或“小于”）弹簧测力计示数。在利用图甲装置进行实验时，运动过程中木块A的速度突然变大，则木块A受到的滑动摩擦力将______；（选填“变大”“不变”或“变小”）

（2）在甲、乙、丙所示图中，分别用F1=1N，F2=2N，F3=1.5N的拉力，拉着物块A匀速前进，为研究滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度的关系，应该比较______两次实验；

（3）大量实验进一步证明：在接触面粗糙程度相同时，滑动摩擦力大小与压力大小成正比，在丙图中物块A上叠放一块与A相同的物块B，用弹簧测力计拉着物块A，使物块B随A一起做匀速直线运动（如丁图所示），此时弹簧测力计示数为，则F4=______N；此运动过程中，物块B受到的摩擦力为______N。

7、（2021四川眉山）在探究“影响滑动摩擦力大小因素”的实验中，器材有：木板、铁块、木块和弹簧测力计。

（1）物理兴趣小组的同学进行了如下操作：

a. 如图甲所示，将铁块平放在木板表面上，用弹簧测力计沿水平方向匀速拉动铁块，弹簧测力计的示数为F1=1.2N；

b. 如图乙所示，将木块叠放在铁块正上方，用弹簧测力计沿水平方向匀速拉动铁块，弹簧测力计的示数为F2=1.6N6；

c. 如图丙所示，将铁块叠放在木块正上方，用弹簧测力计沿水平方向匀速拉动木块，弹簧测力计的示数为F3=1.8N。

分析以上操作：

①操作a和b是为了探究滑动摩擦力大小跟_______的关系；

②比较操作b和c可得铁块表面比木块表面_______些。

（2）在老师的指导下物理兴趣小组的同学改进了该实验，如图丁所示。当用力F4=3N拉动长木板在水平桌面上运动，铁块保持静止状态时，弹簧测力计的示数为；

①此时铁块受到摩擦力的大小为_______，方向为水平_______；

②按图丁所示的实验装置进行实验有较多的优点，请列举两条： _______； _______。

8、（2019四川雅安）针对“滑动摩擦力大小是与压力有关，还是与重力有关？”这一问题，某物理兴趣小组的同学利用 如图所示装置进行了探究，实验步骤和数据记录如下表：

（1）此实验是根据二力平衡原理______（选填“间接地”或“直接地”）测出摩擦力大小；

（2）实验步骤②使用氢气球是为了改变       （选填“金属盒对纸的压力”或“金属盒的重力”）；

（3）根据实验步骤②、③的数据       （选填“能”或“不能”）说明摩擦力大小与压力有关；

（4）要分析摩擦力大小与重力大小是否有关，应选择        两组数据进行分析；

（5）与直接用弹簧测力计拉动金属盒测量摩擦力相比，拉动白纸进行实验有许多优点，以下说法中不是其优点的是      （选填字母序号）。

A．不需要匀速拉动白纸

B．测力计位置和示数较稳定

C．拉动白纸时所用拉力较小，能省力