利用Phyphox测量手机外壳与硬皮书之间的最大静摩擦因数和动摩擦因数

图1 实验场景

1 引言

最近一段时间，微主一直在拓展Phyphox在物理实验教学中的应用范围。有一次路过一个建筑工地，看见自卸车利用液压装置缓缓升起自己的车厢，将建材倾泻在工地上。看到这个景象，触发了微主的创新实验设计灵感，由此出发，获得了一个“测量最大静摩擦因数和动摩擦因数”的创新实验方案。

2 程序设计

如图2所示，在Phyphox中将加速度的y轴分量设置为与斜面平行，将加速度的z轴分量设置为与斜面垂直，将两个分量在同一坐标系中输出。

图2 程序编写

加速度传感器的基本结构可简化为一个如图3所示的内部放有钢球的正方形盒子，加速度传感器输出的本质上是钢球与方形盒子的各个面之间的作用力。

图3 实验原理图

3 实验过程

如图1所示，将智能手机放置在一本硬皮书上，保证手机的长边与斜边平行；运行程序，将硬皮书的一端缓慢抬起，直至手机突然向下滑动；在硬皮书的底部接住手机，防止损坏手机，然后停止运行。

如图4所示，Phyphox详细记录下手机从静止到滑动这一过程中的每一个瞬间的钢球与盒子底面、侧面之间压力变化。

图4 数据记录

从输出图像中可以发现，在手机滑动的瞬间，沿钢球与方形盒子侧壁之间的压力发生了突变，突变前一瞬间的压力等于最大静摩擦力，突变后一瞬间的压力等于滑动摩擦力。

4 数据分析

图5 滑动前后的局部放大图

将手机滑动前、后的小段数据图像进行平移放大，可以看到如图5所示的手机滑动前、后的诸多细节。

图6 数据测量

如图6所示，点按页面下方的“选取数据”按钮，然后点按数据图像中滑动前、后瞬间的钢球与盒子侧面压力和对应的盒子底面压力的值。

图7 数据分析

5 实验结论

如图7所示，将手机滑动前、后的钢球挤压方形盒子侧面的力分别与钢球挤压方形盒子底面的力录入对应的横线中，系统就会自动将侧面压力与底面压力相比，分别得到手机外壳与硬皮书之间的最大静摩擦因数和滑动摩擦因数。

结论1

在本次实验中测得手机外壳与硬皮书之间的最大静摩擦因数为0.66，动摩擦因数为0.31。

结论2

本次实验中，测得手机外壳与硬皮书之间的最大静摩擦因数为动摩擦因数的2.13倍。

在高中物理命题中，绝大部分命题人都将“最大静摩擦力约等于滑动摩擦力”作为题设条件，这样做是否合适，就显而易见了。

6 实验心得

自从费恩曼物理学讲义（新千年版）入手以来，它对微主带来的首次帮助竟然是充当让手机滑动的斜面，也是醉了。

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