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介绍

有时候摩擦力会非常讨厌。它会让推动像家具这样的重物变得困难,而且它甚至会在你摔跤的时候让你受擦伤。但是摩擦力实际上也是非常重要的--如果没有它你根本无法移动更不能把东西拿起来。试一下这个实验来看看摩擦力如何带来一些令人惊讶的效果,比如想把这两本书分开几乎是不可能的。

背景

你每天都和摩擦力打交道。当你走路的时候,摩擦力使你不会在地板上滑倒。试想一下如果所有表面都像冰一样滑得话,走路会变得非常困难。摩擦力是一种可以作用在物体上的力,或者说是一种“推力”或一种“拉力”。

第 1 段(可获 1.58 积分)

在物理中,两个物体表面的摩擦力由一种叫做摩擦系数的东西决定。摩擦系数越大两个物体表面的摩擦力越多,两者之间就没有那么滑。例如,你的橡胶鞋底和铺了地毯的地板之间的摩擦系数就比滑冰鞋在冰上的摩擦系数要高。摩擦力的大小也取决于支持力。在这里“支持”指“垂直于平面” 支持力越大摩擦力就越大。例如,想像两个一模一样的纸箱放置在木地板上。一个箱子是空的非常轻,另一个装满了东西非常重。这两种情况的摩擦系数(纸板和木板之间的)是一样的。然而,箱子越重越难在地板上滑动。这是因为在箱子和地板之间的支持力更大所以摩擦力也更大。

第 2 段(可获 2.06 积分)

现在,思考一下两张纸之间的摩擦力。如果你把一张纸放在另一张上面,很轻松地就可以把它们拉开,不是吗?如果你叠放一捆纸比如把两本书一页页叠放会怎么样呢?还是一样轻易地就能分开吗?试一下这个让人惊讶的实验来看看结果究竟如何吧!

材料

  • 两本同样大小的书(不一定要是电话簿)或者两本厚杂志,笔记本或者便利贴

准备工作

  • 拿出你准备的两本书或者笔记本,把它们放在平桌上,这样两本书的封底就面对着并且有一些距离。
第 3 段(可获 1.38 积分)

步骤

  • 打开两本书然后把它们的封底至少重叠一半
  • 先把左边书的一页折下然后把右边书的一页放在它上面,然后再折下左边书的一页,这样一页一页的插入纸
  • 一直这样叠放大概十二页
  • 现在试着把两本书分开。把书拉开容易吗?你能做到吗?如果你垂直拿着其中一本书把它们悬空,它们还能支撑住自己的重量吗?
  • 继续开始叠放插入比第一次更多的书页
  • 重复测试的过程,尝试不同的方法来看看你能不能把书分开。如果你把书垂直悬空它们还能支撑住自己的重量吗?你能跟另一个人用“拔河”的方法来分开这两本书吗?
  • 在插入更多的书页后继续测试直到你再也无法把书分开。你对书可以支撑的力之大是否感到惊讶?在你无法再分开两本书之前你插入了多少页?
  • 想分开两本书的话,你可能需要把书一页页的折回去。你也可以尝试着把一本书弯向另一本,这样做书页会从后往前分开。
  • 补充:用两个有排孔的可以活页的笔记本来做这个实验。从每个笔记本中取出每一页,然后做个不同的测试。分开它们还是一样困难或者有什么改变?你认为原因可能是什么?
第 4 段(可获 3.64 积分)

观察与结果

你应该发现了当只有几页插入的时候很容易就能把两本书分开。但是,当你插入更多的书页,很快就变得非常难分开,而且不久你完全没办法把它们分开了!这个项目的经典演示用的是电话簿,即使是很少几页重叠效果也非常好,便利贴也是一样。根据你在背景这一部分阅读到的内容你能找出原因吗?

你已经知道摩擦系数不变,因为表面还是同样的材料(纸)。结果却是当你想把两本书分开时,中间插入的书页压的更紧。这样就增加了他们之间的支持力,因此也增加了总体的摩擦力。这意味着你越使劲拉摩擦力越大,越难拉开。

第 5 段(可获 2.01 积分)

网上有很多关于这个实验的演示和视频,但是当你看的时候一定要小心因为有一些关于它原理的普遍的错误概念和错误解释。其中一个错误概念就是这个效果是书页一个压一个的重量的支持力导致的。这个解释显然是错误的,然而,如果你把书垂直悬空这个实验依然有效,但此时并没有书页之间施加的支持力。第二个常见的错误解释是在不断插入书页的过程中增加的表面积带来了更多摩擦力。这也是不正确的解释,一沓普通的纸很容易就能分开,尽管它们在页与页之间也有很大的表面积。在这个实验中之所以能有这样的结果是因为当你尝试把书分开时中间的插入页挤压在一起。当你做实验的时候如果你观察你书的边缘就会发现的。当你完全没有分开它们甚至是把它们推得更紧一点你应该能看见一些书页有小的缝隙。但是当你拉开书的时候,这些小缝隙很快紧闭书页变平了。尝试下步骤中的补充那一步看看如果你一页一页的移走笔记本会有什么改变(这样做会导致中间的一叠插入页变得和原本夹在一起的笔记本一样高,而不是倍高----因此当你尝试把书拉开的时候书页并没有向内拉伸)

第 6 段(可获 3.58 积分)

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