第31届国际物理奥林匹克竞赛力学实验题解答及分析

介绍第31届国际物理奥林匹克竞赛力学实验题及其解答,并分析了该实验题的设计思想、特点与要求.     

摩擦振子行为的建模与探究

一般认为滑动摩擦力正比于接触面之间的正压力，而摩擦系数只和接触面材料有关，与摩擦副之间的相对运动速度大小无关。在对IYPT2020第13课题“摩擦振子”的研究中，我们搭建了适用的实验设备，得到摩擦振子振幅先随时间增大，然后受摩擦轮转速限制而稳定在一定值的实验结果。由理论分析可知，振幅随时间增大的现象是摩擦系数随摩擦副之间的相对速度增大而减小决定的。摩擦系数随速度变化的定量测量证明了这一依赖关系。     

“滑动摩擦力演示仪”教具的改进与创新

在中学"滑动摩擦力"这一章节的教学中,滑动摩擦力一直都是教学的重难点.然而传统探究实验不利于学生对概念的深入理解,学习过程中经常出现"惯性思维".针对该问题,通过自制教具进行教学,得到了较好的实验结果,解决了滑动摩擦力的方向总是与相对运动方向相反,与运动方向无关,滑动摩擦力即可以是阻力也可以是动力,静止的物体也可以受到滑动摩擦力3个教学重难点问题,值得推广使用.     

关于自行车运动中的滚动摩擦

一般说来摩擦分为滑动摩擦和滚动摩擦，一个物体在另一个物体表面滚动受到的阻碍称为滚动摩擦，也叫滚动摩阻，以滚动代替滑动可以大大减小摩擦阻力，滚动摩阻产生的原因和滑动摩擦不同，下面以人骑自行车运动为例，作一滚动摩擦的探讨。     

油润滑条件下ZA27／SiCp复合材料的滑动磨损行为

高能超声凝固法制备ＺＡ２７／ＳｉＣｐ复合材料，用环－块摩擦磨损试验机研究了油润滑下复合材料的滑动摩擦磨损性能，发现未增强的基体合金在重载时产生严重粘着磨损，磨损层发生软化和塑性流动，而复合性能中的ＳｉＣ颗粒暴露于磨损表面并起承载作用，从而保护基体不发生严重磨损。与基体合金相比，复合材料的摩擦系数平稳而较低，且耐磨性提高１０倍以上。     

碳钢渗硫层面接触滑动摩擦特性的试验研究

采用低温离子渗硫方法制备了不同厚度的４５＾＃钢渗硫层材料，利用面接触摩擦试验装置测定了在不同的载荷，加工方法，表面粗糙度及表面硬度下渗硫层的摩擦系数，并对其进行了分析。结果表明：在满足减摩条件下可适当减小渗硫层厚度。研究结果为后续理论研究及渗硫技术的应用提供了试验依据。     

SiC与球形石墨颗粒混杂增强铝基复合材料的摩擦磨损性能研究

以6092铝合金为基体,通过粉末冶金法分别制备了球形石墨颗粒(Gr)以及SiCp和Gr混杂增强的铝基复合材料,并采用田口模型结合方差分析,对复合材料与铜合金摩擦副之间的干滑动摩擦磨损行为进行了分析研究. 结果表明:随着载荷从10 N增至20 N,3种复合材料的摩擦系数、磨损率均相应增加;随滑动速率从0.5 m/s增至1.0 m/s,15%Gr/6092Al和(5%Gr+20%SiCp)/6092Al的摩擦系数先减小后增大;而(5%Gr+10%SiC_p)/6092Al的摩擦系数呈递减趋势. 相同条件下,单一石墨颗粒增强的复合材料的磨损率大于混杂增强的复合材料的磨损率. 方差分析的结果表明:增强相百分比单独作用、增强相百分比和滑动速率相互作用以及滑动速率单独作用3个因素对磨损率和摩擦系数产生了显著的影响. 随SiC_p含量增加,材料硬度增加,SiC_p对基体起到支撑保护作用,磨损面上的磨痕变浅,分层剥落现象明显减轻,磨屑变得细小,摩擦系数更为稳定,磨损机制由剥层磨损向磨粒磨损转变.      

“滑块-小车”模型

模型在学习过程中有“启发思维”和“提高知识迁移能力及解决问题能力”的功效．掌握一个好的模型，相当于掌握一种方法，一种技巧．本文介绍“滑块一小车”模型。     

用摩擦角概念理解自锁问题

分析2012年全国理科综合卷第24题丢分的原因,并用摩擦角解决此题,更简单、直观.利用一题多解的方法有利于培养学生的创新精神.     

“风车制作”中的力学问题简析

分析了``风车制作'中输出、动力和传动3个部分所包含的主要力学问题,建立了相应的物理模型,由此针对题目设置分别给出了策略建议。考虑到有效输出功率、风机叶片的运行效率、传动的比例搭配等因素,指出最优策略是应当选择更大的杯子质量、更多的叶片数量、宽型的叶片形状、稍大于45$^\circ$的叶片安装角、更大比例系数的齿轮组合。