测自行车摩擦力及其功率课题报告

组  长：伍红雪      

瓯海中学  组  员：周丹丹、夏建乐、周蓓雷、陈洁、杨若梅

指导师：刘家来

一、课题的提出：

在享有“自行车王国”之称的中国大街小巷里到处跑着自行车，可见自行车在生活中被广泛地使用。然而你可曾了解骑车的摩擦力及功率的大小呢？当时我们刚刚学过运动与力，受课本的启发，在思索着生活中的力的表现，见物触情，提出这个课题。研究这个课题的优点是器材易置，可操作性强，既可培养动手能力，又能把课本知识运用于实践。

二、实验内容

第一次实验，我们依公式认为只要测出自行车重量及车在水平地面上所受摩擦力就可以求得滑动摩擦系数。因而准备了自行车、人体测量计，多个弹簧秤、滑轮等，地点选在科技楼大厅。满以为实验结果唾手可得，想不到第一次测量就失败了，出现了未估计到的问题：①弹簧秤量程太小；②单个自行车会摔倒；③保持匀速运动状态不容易。针对这些问题我们展开了讨论，采取如下措施：①自制一个大量程的弹簧秤；②用两辆同型号的自行车拼成四轮车；③尽量保持匀速。同时考虑到自行车的摩擦力是滚动摩擦力，课本教的是滑动摩擦力有人建议先测橡胶与地面的滑动摩擦系数。第二次我们自制橡胶滑块，采用在不同场地比较滑动摩擦系数，进行实验时我们注意了以下几点：①选择平整的地面；②尽量保持滑块匀速运动及拉力水平；③尽量保持拉力水平及匀速运动；④改变压力多次测量并取平均值，测量数值如下表：

水磨地	滑块G（N）	5.7	8.5	11.2	水泥地	G（N）	5.7	8.5	11.2
	F（N）	2.2	3.2	4.3		F（N）	4.2	6.4	7.4
		0.39	0.38	0.39			0.74	0.76	0.66
	平均值：0.38					取平均值0.72

在实验过程中观察到水磨地上拉力比较平衡，水泥地上拉力抖动较大，分析原因由于水泥地相对凹凸不平，重力的分力（如下滑力）参与了运动。在课本习题的启发下，我们利用斜面在测量橡胶与木板间的滑动摩擦系数，计算公式：，测得。第二次实验成功鼓午了我们的信心，我们自备器材，如木板条、弹簧刻度尺、固定件等，依照实验室弹簧秤制作大量程的弹簧秤，按照胡克定理，为恒量，弹簧秤刻度应均匀，然而我们做的时候发现与不成正比（开初阶段），数据如下：

挂码重量G（N）	10	20	30	40	50	60
弹簧伸长L（㎝）	1.2	8.8	16.5	24.3	31.0	38.7
伸长量（㎝）	1.2	7.6	7.7	7.8	7.7	7.8

换了几根弹簧（市场采购）均差不多，按理想设计刻度还是按实际设计刻度便成了小组争论的焦点。经过争论我们统一了认识，应尊重事实，按实际刻度制成一一对应的弹簧秤，至于弹力原因有待于进一步探索。以上几次实验为测量自行车摩擦力与功率做了准备，开始我们把两辆自行车打足气（尽量一致）两辆车头尾相并成四轮车用自制测力计拉自行车尽量保持匀速运动。我们又运用了拖车型拉动实验，两车一前一后，前车尾架上捆上自制弹簧秤拉后力，做对比验证。开始时两车同时加速运动，到了一定的速度，B车只控制方向，而A车匀速前进，这样弹簧秤读数就是B车所受地面的摩擦力。同时为了保证基本匀速运动，我们在开始计时起，10米、20米、30米处设秒表，算出速度，基本相等。同样我们用空车、载人车分别在水磨地、水泥地、塑胶跑道上测出了滚动摩擦力如下图所示。从这两次实验中我们得到了一个结论，即物体的滚动摩擦随压力的增大而增大。

测量场所	物理量	0米	10米	20米	30米	平均值
水 磨 地	时间（s）A	0	10．40	21．75	30．50
	空车滚动摩擦力（N）B	0	2．75	3．0	3．5	B	3．08
	载人滚动摩擦力（N）C	0	13．5	15	17．5	C	15．3
水 泥 地	A	0	11．75	22．50	30．0
	B	0	4．0	4．5	3．8	B	4．1
	C	0	20	22	19	C	20．3
塑胶 跑道	A	0	11．20	21．60	30．0
	B	0	4．5	5	40	B	4．5
	C	0	20．5	23	22	C	21．8

测得了自行车的滚动摩擦力又为我们的下一步测自行车的功率准备了必要的条件。我们根据初中学过的一条功率的推导公式：。现已知自行车摩擦力F的大小，只要求得自行车匀速运动时的速度便可求得功率。为求得自行车匀速运动时的速度，我做了如下图的实验。

在塑胶跑道上，一人骑自行车在A点开始加速，到了红旗的地方开始匀速运动，同时开始计时，分别记下穿过10米、20米、30米处时所用的时间。记录如右表。

S t 人    (s)	0米	10米	20米	30米	平均速度 m／s
A	0	1．3	2．6	4．2	7．7
B	0	1．2	2．4	4．2	7．1
C	0	1．4	2．4	3．5	8．6
D	0	1．3	2．5	3．4	8．8
E	0	2．1	3．6	5．3	5．7
F	0	0．9	1．9	2．8	10．7

通过公式：求出速度。由此，我们继而得出人骑车的功率大小，见下表。

人 物理量	A	B	C	D	E	F
滚动摩擦力（N）	23．3	22	20	21．3	20．7	20．6
速度 （m／s）	7．7	7．1	8．6	8．8	5．7	10．7
功率 （W）	179．4	156．2	172	187．4	118	220．4

【课题研究主要成果】

一、自行车空车摩擦力约为4N；自行车坐人摩擦约为22N

二、橡胶轮与地面的滑动摩擦系数约为0．7～0．8

三、自制大量程弹簧秤、最大量秤90N

四、测定人的骑车功率为0．1KW－0．2KW

五、初步体会到研究性课题应如何进行，并对研究性学习浓厚的兴趣。

【感想】

（1）在活动中由于种种原因，条件不定，能力的限度，常常会碰上这样或那样的困难，但我们还是坚持了下来，并达到最后。虽然我们并没有发明，也没有创造，但培养了我们动手的能力，独立思考的能力，课本知识联系实际情况的能力。

（2）在活动中我们活用了课本中的知识，例如用多种方法来测定摩擦力，用来骑车的功率，估测了人骑车的功率，我们测量很粗糙（如水平匀速运动），因此有待于我们以后不断的改进。

（3）在活动中我们同时体会到小组成员团结的作用，每个人都会在需要自己的时候挺身而出，各自发挥自己的特长。同时大家同策同力，大胆发表意见，统一到最好的办法来。遇到挫折能相互勉励，坚持下去，这是活动成功的首要原因。人的潜力是很大的，只有挖掘，就有想不到的能力。通过这次活动，我们认识到研究性学习活动课对学习大有裨益。