核心概念
物理学
摩擦力
质量
重力
引言
你是否曾经开车上山，看到一个写着“危险！前方道路结冰”的标志，并且想知道为什么冰会使道路行驶危险？答案与摩擦力有关——具体来说，是缺乏摩擦力。
具体而言，在汽车在道路上行驶的情况下，使汽车能够移动的摩擦力发生在轮胎和道路之间。这种摩擦力通常使汽车能够“抓住”道路，使轮胎与相对粗糙的道路表面保持接触，并使驾驶员能够控制汽车。但是，当道路结冰时，两个表面之间的摩擦力会减小，使汽车滑动而不是抓住。您可以在家中更安全地使用一些常见的物体来复现这些情况，而无需考虑天气。
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背景
摩擦力是两个物体相互摩擦时对运动的阻力。低摩擦的一个例子是当您在结冰的山坡上滑雪橇时。这很容易，因为雪橇和山坡上的冰都很光滑，雪橇滑轨和冰的表面彼此滑动时阻力很小。另一方面，由于车道表面粗糙，在雪橇滑轨上产生阻力，因此在粗糙的混凝土车道上滑雪橇几乎是不可能的。这是一个高摩擦的例子。
正如您可以想象的那样，摩擦发生在两个物体的粗糙部分在相互摩擦时相互卡住时。发生的阻力取决于一个称为摩擦系数的值。这是衡量两个物体在相互摩擦时相互作用的程度，这取决于构成这两个物体的材料。发生的摩擦也取决于运动物体在重力中的质量。所有这些因素都在决定两个摩擦物体之间有多少摩擦力起作用。
材料
• 两块“二乘四”或类似尺寸的木板，约半米长效果最佳
• 带盖的小塑料桶
• 沙子或其他致密材料填充桶
• 水
• 冰箱
• 书
• 尺子
• 量角器
• 一块铺有地毯的区域或一块可以弄湿的地毯（或一个保护罩，例如一个大的塑料垃圾袋）
准备工作
• 确保木块的表面粗糙度相似，长度和宽度大致相同。
• 取一块木头并将其浸泡在水中——这可以通过将木头压在装有几英寸水的浴缸中至少30分钟来完成。
• 将浸泡过的木块放入冰箱过夜。
• 用沙子或其他致密材料填充塑料桶，并盖紧盖子。
• 处理木材时要小心（您可能需要戴上手套），尤其是在木材粗糙的情况下，以避免被刺伤。
步骤
• 在地毯区域或地毯上，使用几本书和干燥的木块搭建一个斜坡。确保木块的同一部分在所有试验中都靠在书上。
• 将装满的桶放在斜坡顶部，桶的边缘与木块的顶端对齐。松开桶。如果桶沿斜坡滑下，请取下桶并通过移除一本书来降低斜坡高度。如果桶没有滑下，请取下桶并通过添加一本书来升高斜坡高度。当桶滑下时，书堆有多高？桶滑下所需的最短书堆高度是多少？
• 使用量角器，测量当使用桶滑下所需的最短书堆设置斜坡时，斜坡与地毯相遇的角度。这个角度是多少？
• 当您完成对干燥木块的测试后，请从冰箱中取出结冰的木块。（因为结冰的木块会随着时间的推移而解冻，所以在取出它之前，请准备好一切并准备好进行测试。）结冰的木块与干燥的木块相比感觉如何？
• 使用结冰的木块，像使用干燥木块一样，在斜坡上用桶对其进行测试。桶在结冰的木块上滑下所需的最短书堆高度是多少？同样，使用量角器测量斜坡的角度。这个角度是多少？
• 您可以尝试多次使用不同的书堆高度测试每个斜坡。您的结果是否一致，还是存在一些变化？
• 总的来说，哪个斜坡——用结冰的木头或干燥的木头制成的斜坡——允许桶在较小的斜坡角度下滑动？
• 提示： 如果结冰的木块在您测试时解冻或看起来干燥，请将其水平放置在冰箱中，并在其顶部倒一些水。将其在冰箱中放置至少一个小时。再次使用顶面作为斜坡表面进行测试。
• 附加： 桶在由其他材料制成的斜坡上滑动会多容易？使用覆盖着砂纸、油或铝箔的木板制作一个类似的斜坡。或者，用这些材料覆盖桶的底部。使用不同的材料时，桶滑动有多容易？
• 附加： 如果您知道斜坡的高度和长度，则无需使用量角器来计算其角度。您所需要做的就是进行一些数学计算：用于求解斜坡角度的公式是 sin(theta) = 对边/斜边。在公式中，“sin”代表正弦，“theta”是角度，“对边”是斜坡高度，“斜边”是斜坡长度。在“在直角三角形中求角度”中，了解更多关于如何进行此计算的信息，该文章来自 Math is Fun Advanced。计算出的角度是否与您用量角器测量的角度相符？观察和结果
总的来说，桶在结冰的斜坡上比在干燥的斜坡上滑动得更好吗？桶在结冰的斜坡上滑下所需的最小斜坡角度是否小于在干燥的斜坡上所需的角度？
当两个物体相互摩擦时，总是会产生摩擦力，并且两个物体的表面决定了产生的摩擦量。在此活动中，您应该看到桶和结冰的木头之间的摩擦力小于干燥木板的摩擦力。换句话说，当使用结冰的木头时，桶的滑动所需的斜坡角度比使用干燥的木头时小。
要计算摩擦力，必须将摩擦系数乘以物体产生的力，即桶在重力中的质量。尽管桶的质量和重力没有变化，但两个斜坡系统的摩擦系数却发生了变化。结冰的木板和桶底部的摩擦系数低于干燥的木材和桶的摩擦系数。您可以小心地用手沿着结冰的表面和干燥的木材表面滑动来轻松地感受到这种差异。结冰的木板的冷冻涂层使其比干燥的木材光滑得多。
更多探索
来自波特兰州立大学的儿童历史与科学网站 Kidipede 上的“摩擦力”
来自 Rader 的Physics4Kids.com 的运动基础：摩擦力中的“运动”
来自 Math is Fun Advanced 的“在直角三角形中求角度”
来自科学伙伴的“滑滑溜：摩擦力实验”
此活动由科学伙伴合作推出