摩擦自锁原理教学试验装置及其试验方法

摘要

本发明公开了一种摩擦自锁原理教学试验装置及其试验方法，它包括一个带吸盘的底座、斜板和直角楔形支撑板，底座上设有滑槽，楔形支撑板设在滑槽中能沿滑槽左右移动，斜板一端通过活页连接在滑槽端部的底座上，斜板另一端搭在直角楔形支撑板上，从而使斜板、底座和楔形支撑板构成一个活动的斜面；在斜板上设有滑块，滑块中间带有通孔，通孔与橡胶气囊的气管相连通；在滑槽边缘设有刻度。通过该装置可以演示自锁的产生过程、确定临界自锁角以及自锁的解除方法，老师通过理论结合实际的方式，边演示边讲解，当场揭示摩擦自锁原理，在演示过程中，学生可以直观看到自锁的产生以及解除的方法，达到事半功倍的效果。

说明书

技术领域

本发明属于中等教育物理力学教学试验仪器，尤其是用于演示摩擦力自锁 原理的教学试验装置。

背景技术

在中学物理学习中，自锁是一个重要现象，具有广泛应用，了解自锁的原 理能加深对摩擦力的学习和掌握，但是至今为止自锁现象一直是高中物理较难 真正掌握的内容之一。为了加深学生对自锁原理的理解，老师们通常结合自然 现象和生活常识来进行解释，比如电业工人攀爬电线杆时使用的登高鞋、管钳 等自锁装置；处于长期稳定的自然界土坡随着日月积累，在降雨作用下突然失 去稳定，可以用自锁解除来分析等等。这些自然现象和生活常识对成人来说可 能是较常见的，但对于一个中学生来说，由于生活经验和专业知识的缺乏，感 官上的灌输还是无法使他们真正理解摩擦自锁的含义。

发明内容

为了在课堂教学中，操作方便，直观展示自锁过程及自锁解除的物理现象， 满足课堂教学中的直观性，本发明提供一种摩擦自锁原理的教学试验装置及其 试验方法。

为了达到上述目的，本发明的摩擦自锁原理教学试验装置结构是：

它包括一个底部带有吸盘的底座、斜板和直角楔形支撑板，底座上设有滑 槽，楔形支撑板设在滑槽中可以沿滑槽左右移动，斜板一端通过活页连接在滑 槽端部的底座上，斜板另一端搭在直角楔形支撑板上，从而使斜板、底座和直 角楔形支撑板构成一个活动的斜面，通过左右移动直角楔形支撑板，改变斜板 的倾斜角；在斜板上设有滑块，滑块中间带有通孔，通孔与橡胶气囊的气管相 连通；在滑槽边缘设有刻度，0刻度值设在活页轴中心线处。

利用上述装置对摩擦自锁原理进行试验的方法如下：

第一步：自锁产生过程演示

第1.1步：首先将试验装置通过底座底部的橡胶吸盘固定在平整桌面上；

第1.2步：调整直角楔形支撑板垂直面朝向内侧，斜面朝向外侧，并将直角 楔形支撑板平移到滑槽最内侧，此时斜板的倾斜角为最大值，拔掉插在滑块通 孔中的气管，将滑块置于斜板上，发现滑块将沿斜板快速滑落；

第1.3步：将直角楔形支撑板向外侧平行移动一定距离后，保持直角楔形支 撑板位置不变，此时斜板的倾斜角变小，将滑块重新置于斜板上，发现滑块仍 沿斜板滑落，但速度降低，重复此步骤，直至滑块滑落速度非常缓慢；

第1.4步：将滑块再次放在斜板顶端，滑块开始缓慢下滑，此时，操作者一 手压住底座，另一手向外慢慢平行推动直角楔形支撑板，使直角楔形支撑板缓 慢向滑槽外侧平行移动，斜板也随之缓慢转动，其转动角逐渐减小；当斜板旋 转至一定角度时，斜板上面的滑块停止滑动，此时滑块达到自锁状态，继续推 动直角楔形支撑板直到推到滑槽最外侧，期间滑板一直不再移动，说明滑块一 直处于自锁状态；

第二步：确定临界自锁角

第2.1步：调整直角楔形支撑板垂直面朝向右侧，斜面朝向左侧，操作者一 手压住底座，另一手往内慢慢平行推动直角楔形支撑板，使直角楔形支撑板缓 慢向滑槽内侧平行移动，斜板也随之缓慢转动，其转动角逐渐增大；当斜板旋 转至一定角度时，斜板上面的滑块开始滑动，此时斜板与底座的夹角，即为临 界自锁角；

第2.2步：读出此时直角楔形支撑板直角边对准的滑槽边缘的刻度值，用支 撑板高度除以该刻度值，即为临界自锁角的正切值，从而得到临界自锁角的角 度；

第三步：自锁解除的操作方法：

第3.1步：把直角楔形支撑板重新平移到滑槽最外侧，此时斜板上的滑块处 于自锁状态；

第3.2步：将橡胶气囊的气管插入滑块的通孔中，手握气囊，并快速挤压；

第3.3步：由于快速挤压气囊，气体通过气管迅速到达滑块底面，使滑块与 斜板之间摩擦力减小，此时虽然自锁角没有变化，但是也发生了解锁现象，滑 块滑下。

本发明的优点是：

1、利用本发明试验装置可以在课堂上方便演示自锁及解除现象，老师通过 理论结合实际的方式，边演示边讲解，当场揭示摩擦自锁原理，在演示过程中， 学生可以直观看到自锁的产生以及解除的方法，达到事半功倍的效果。

2、本发明试验装置结构简单，简易可行，无论是老师还是学生都可以操作， 实用性强。

3、利用本发明装置不仅能演示自锁现象及自锁解除的过程，同时还可以确 定不同材料在特定条件下的临界摩擦角(临界自锁角)，通过临界摩擦角和滑块 的重力进一步推出材料的摩擦系数。

附图说明

图1是本发明实施例的主视图；

图2是本发明实施例的立体示意图。

图中：1-吸盘，2-底座，3-直角楔形支撑板，4-有机玻璃斜板，5-有机玻 璃滑块，6-通孔，7-气管，8-橡胶气囊，9-活页，10-刻度。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明的试验装置是在带有吸盘1的底座2上通过活 页9连接有有机玻璃斜板4，在底座2上设有滑槽(图中未画出)，在滑槽中设 有直角楔形支撑板3，有机玻璃斜板4搭在直角楔形支撑板3上，从而使有机玻 璃斜板4、底座2和直角楔形支撑板3构成一个活动的斜面，在有机玻璃斜板4 上设有有机玻璃滑块5，有机玻璃滑块5中间带有通孔6，通孔6与橡胶气囊8 的气管7相连通。在滑槽边缘设有刻度10，0刻度值设在活页9轴中心线处。

上述底座2，尺寸为80cm×30cm×1cm；有机玻璃斜板4，寸为60cm× 20cm×1cm；直角楔形支撑板3，高度10cm。三个部件组成的三角形中斜板4 的最小倾角为10.3°，此时有机玻璃滑块5在有机玻璃斜板4上处于自锁状态。

利用上述装置确定自锁临界角以及自锁解除的方法如下：

第一步：自锁产生过程演示

第1.1步：首先将试验装置通过底座2底部的橡胶吸盘1固定在平整桌面上， 为了便于操作，固定装置时，将活页9一端放在操作者左手一端；

第1.2步：调整直角楔形支撑板3垂直面朝向左侧，斜面朝向右侧，并将直 角楔形支撑板3平移到滑槽最左侧，此时有机玻璃斜板4的倾斜角为最大值， 拔掉插在滑块通孔6中的气管7，将滑块5置于有机玻璃斜板4上，发现滑块5 将沿有机玻璃斜板4快速滑落；

第1.3步：将直角楔形支撑板3向右侧移动一定距离后，保持直角楔形支撑 板3位置不变，此时有机玻璃斜板4的倾斜角变小，将有机玻璃滑块5重新置 于斜板4上，发现有机玻璃滑块5仍沿有机玻璃斜板4滑落，但速度降低，重 复此步骤，直至有机玻璃滑块5滑落速度非常缓慢；

第1.4步：将有机玻璃滑块5再次放在有机玻璃斜板4顶端，有机玻璃滑块 5开始缓慢下滑，此时，操作者左手压住底座2，右手贴紧直角楔形支撑板3直 角面往右慢慢推动直角楔形支撑板3，使直角楔形支撑板3缓慢向右侧移动，有 机玻璃斜板4也随之缓慢顺时针转动，其转动角逐渐减小；当有机玻璃斜板4 旋转至一定角度时，有机玻璃斜板4上面的有机玻璃滑块5停止滑动，此时有 机玻璃滑块5达到自锁状态，继续推动直角楔形支撑板3直到推到滑槽最右侧， 期间有机玻璃滑块5一直不再移动，说明有机玻璃滑块5一直处于自锁状态；

第二步：确定临界自锁角

第2.1步：调整直角楔形支撑板3垂直面朝向右侧，斜面朝向左侧，将直角 楔形支撑板3平移到滑槽最右侧，此时有机玻璃斜板4的倾斜角为最小值。操 作者左手压住底座2，右手贴紧直角楔形支撑板3外侧往左慢慢推动直角楔形支 撑板3，使直角楔形支撑板3缓慢向滑槽左侧平行移动，斜板4也随之缓慢逆时 针转动，其转动角逐渐增大；当斜板4旋转至一定角度时，有机玻璃斜板4上 面的有机玻璃滑块5开始滑动，此时有机玻璃斜板4与底座2的夹角，即为临 界自锁角；

第2.2步：读出此时直角楔形支撑板3直角边对准的滑槽边缘的刻度值，用 直角楔形支撑板3高度除以该刻度值，即为临界自锁角的正切值，从而得到临 界自锁角的角度；

第三步：自锁解除的操作方法：

第3.1步：把直角楔形支撑板3重新平移到滑槽最右侧，此时有机玻璃斜板 4上的滑块5处于自锁状态；

第3.2步：将橡胶气囊8的气管7插入有机玻璃滑块5的通孔6中，手握气 囊8，并快速挤压；

第3.3步：由于快速挤压气囊8，气体通过气管7迅速到达有机玻璃滑块5底面， 使有机玻璃滑块5与有机玻璃斜板4之间摩擦力减小，此时虽然自锁角没有变 化，但是也发生了解锁现象，有机玻璃滑块5滑下。