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问题: 高中物理 测摩擦力实验

为了测定木板与斜面间的动摩擦因数,某同学设计了如图所示的实验。在木板的一端固定一个弹簧秤(弹簧秤本身质量不计),弹簧秤下端栓一个光滑小球,当木板与小球静止不动时,弹簧秤示数F1;释放木板,当木板沿斜面下滑时,弹簧秤的稳定示数为F2,还知斜面倾角a,写出木板与斜面间动摩擦因数的表达式。

解答:

静止时,小球受三个力:重力mg,斜面的支持力T,弹簧的拉力F1,将mg分解,沿斜面的分力为 mgsinθ,所以F1=mgsin θ;还可以将m表达为:m=F1/gsin θ.

下滑时,拉力变小,读数为F2 , 合力 F合= mgsinθ-F2,
产生加速度a=( mgsinθ-F2)/m
或可写成a=(F1-F2)/m
下面将木块和上面的小球看作一体,设木块质量为M,它们的总质量为M+m
木块与斜面间压力为(M+m)gcosθ,沿斜面向下的分力为(M+m)gsinθ
下滑时的加速度为 a,(与上面算出的小球的加速度相同)
木块与斜面间的滑动磨擦力为 f=μ(M+m)gcosθ,可以写出:
(M+m)gsinθ - μ(M+m)gcosθ=(M+m)a
而加速度a=(F1-F2)/m,代入上式:
(M+m)gsinθ - μ(M+m)gcosθ=(M+m)*(F1-F2)/m
整理可得:μ=[ gsinθ-(F1-F2)/m]/ gcosθ
=[ gsinθ-(F1-F2)/(F1/gsin θ)]/ gcosθ
=[ gsinθ-(F1-F2)*gsin θ/F1)]/ gcosθ
=tgθ[1-(F1-F2)/F1]

为避免夹角(原题中用a)与加速度a混淆,我将夹角用θ了。