多功能匀速拖动装置

      摩擦力及运动的合成与分解是中学物理教学的重点和难点，为了让学生较好地建立起这两个概念，教师通常会设计一些实验来帮助学生理解。然而摩擦力尤其是滑动摩擦力的测量及运动的合成与分解的演示（俗称“红蜡块”实验）一直以来是中学物理实验设计的难点。如何演示好这两个实验呢？从原理上讲，只要用绳子水平且匀速拖动放在水平面上的物体，绳子的拉力大小就等于物体所受滑动摩擦力的大小，随此物体运动的红蜡块就可在水平方向上做匀速直线运动。然而，人为拖动很难保证绳子始终处于水平方向，也很难保持物体的匀速运动状态。

      

      图1

      

      图2

      正是由于水平匀速拖动难以实现，教师们纷纷寻找替代或衍生方法。常见测量摩擦力的方法有木板拖动法、能量守恒法、利用动力学或动能定理等等[1]，这些方法中有的原理复杂，有的只能在高三复习中使用，并不适用于高一新授课。至于红蜡块实验，目前较好的做法是把玻璃管的底座放在气垫导轨上，不过由于空气等阻力的存在，这一应用惯性的做法不可能完美，实验中所记录的红蜡块的运动轨迹常常有略微向上弯曲的趋势；悬浮于气垫上的底座不可能提供良好的稳定性，实验中玻璃管必须竖直放置不能调整其方向；另外，此实验用到的器材虽然不算太多，但过于庞大与笨重，所以这一做法的普及率并不高。为了突破教学难点，我们设计了如图1、图2所示的匀速拖动装置。实验过程中不仅可以调节木块和小车的速度，还可以调整玻璃管的方向和蜡块的速度，可以模仿“小船过河”。本实验装置还可以用来研究圆周运动中线速度与角速度的关系，研究匀速直线运动规律。

      一、拖动原理

      读者可能会提出质疑：(1)根据υ=rω，随着绕线轮的转动，式中r会逐渐变化，绳子的线速度随之改变，其方向也会逐渐发生偏移。(2)随着线圈半径的改变，绳子对电动机转轴的力矩随之变化，电动机的转速还能保持不变吗？(3)绕线轮收线后如何回线。

      如图1、图2所示，我们在绕线轮前依次安装了导线轮和导线缝来引导绳子的水平方向和竖直高度，只要绕线轮的直径较大且厚度较小。绳子很细，那么在木块位移较小的情况下，绕线轮旁边的绳子的偏移量就可以很小，这样绳子就不会脱离导线轮，可以沿着导线缝和导线轮所引导的方向来拖动木块或小车了。对于问题(2)，可以采用同步电机，因为在外力波动不是太大的情况下，同步电机具有恒定的转速，可以用来拖动恒转速、大功率的负载[2]。另外，如果绕线轮收线速度很快，那么实验过程就会很匆忙。所以，还必须降低电动机的转速，以实现缓慢拖动。由于同步电机的转速n与频率f、磁极对数p的关系为[2]：，所以不能通过串联电位器或调速线圈的方式来降低同步电机的转速，最有效的办法是通过变频器来降低工作电流的频率。本装置采用的变频器是由上海任重仪表电器有限公司生产的RZ-SD-04型变频调速电源，尺寸为，输出电流的频率在0～80 Hz之间，并能在面板上显示出输出电流的频率。

      

      图3

      由于低速同步电机内部装有减速传动装置，电动机不工作时，其转轴的阻力矩较大；绕线轮收线后，用手直接拖动绳子把木块拉到原处是很费劲的；如果重新用手动方式把绕线轮中的绳子绕出来，则比较麻烦。为解决这一问题，我们采用了可以控制转动方向的同步电机——型号为60KTYZ的天马牌永磁同步电机，尺寸为，默认转速为50r/min，它有3个接线柱，电源线接到0、1两个接线柱上时顺时针转动，接到0、2两个接线柱上则逆时针转动。为了控制绕线轮的收线与回线，我们在电路中连接了一个家用双联双控的墙壁开关。如图3所示，开关作为总开关，用来控制电动机的顺转和逆转；当需要回线时，只要先调高变频器的输出频率，再拨动使绕线轮倒转，这样在回线的同时车子也会在钩码的拖动下自动倒退到原位。

      二、部分器材的准备与制作

      实验所需要的同步电机、变频器可以到本地的机电商店购买，如果买不到可以上网邮购。绕线轮可以采用塑料滑轮，用电钻将其孔径扩大到与电动机转轴一致，在其两侧各粘上一个直径为10cm的圆形硬纸板以增加绕线轮的半径。实验中绳子的拉力较小，所以安装绕线轮时，可以把它直接插入涂有百得胶的电动机转轴上即可，无须其他加固措施。

      制作尺寸为的匀质长方体木块3块，分别记作木块1、2、3。其中木块1的底部要求“平而不滑”。如果木块比较光滑，接触面上会产生较大的附着力，测量过程中弹簧秤的指针会发生抖动；如果木块过于粗糙，则最大静摩擦力几乎和滑动摩擦力等大，看不到预想中的“突变”。在木块2和3的底面上分别粘上粗布和毛布。用屑割或其他方法调整3个木块的质量，使它们的质量相等。