核心概念
物理學
摩擦力
質量
重力
引言
你是否曾經開車上山，看到一個寫著“危險！前方道路結冰”的標誌，並且想知道為什麼冰會使道路行駛危險？答案與摩擦力有關——具體來說，是缺乏摩擦力。
具體而言，在汽車在道路上行駛的情況下，使汽車能夠移動的摩擦力發生在輪胎和道路之間。這種摩擦力通常使汽車能夠“抓住”道路，使輪胎與相對粗糙的道路表面保持接觸，並使駕駛員能夠控制汽車。但是，當道路結冰時，兩個表面之間的摩擦力會減小，使汽車滑動而不是抓住。您可以在家中更安全地使用一些常見的物體來複現這些情況，而無需考慮天氣。
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背景
摩擦力是兩個物體相互摩擦時對運動的阻力。低摩擦的一個例子是當您在結冰的山坡上滑雪橇時。這很容易，因為雪橇和山坡上的冰都很光滑，雪橇滑軌和冰的表面彼此滑動時阻力很小。另一方面，由於車道表面粗糙，在雪橇滑軌上產生阻力，因此在粗糙的混凝土車道上滑雪橇幾乎是不可能的。這是一個高摩擦的例子。
正如您可以想象的那樣，摩擦發生在兩個物體的粗糙部分在相互摩擦時相互卡住時。發生的阻力取決於一個稱為摩擦係數的值。這是衡量兩個物體在相互摩擦時相互作用的程度，這取決於構成這兩個物體的材料。發生的摩擦也取決於運動物體在重力中的質量。所有這些因素都在決定兩個摩擦物體之間有多少摩擦力起作用。
材料
• 兩塊“二乘四”或類似尺寸的木板，約半米長效果最佳
• 帶蓋的小塑膠桶
• 沙子或其他緻密材料填充桶
• 水
• 冰箱
• 書
• 尺子
• 量角器
• 一塊鋪有地毯的區域或一塊可以弄溼的地毯（或一個保護罩，例如一個大的塑膠垃圾袋）
準備工作
• 確保木塊的表面粗糙度相似，長度和寬度大致相同。
• 取一塊木頭並將其浸泡在水中——這可以透過將木頭壓在裝有幾英寸水的浴缸中至少30分鐘來完成。
• 將浸泡過的木塊放入冰箱過夜。
• 用沙子或其他緻密材料填充塑膠桶，並蓋緊蓋子。
• 處理木材時要小心（您可能需要戴上手套），尤其是在木材粗糙的情況下，以避免被刺傷。
步驟
• 在地毯區域或地毯上，使用幾本書和乾燥的木塊搭建一個斜坡。確保木塊的同一部分在所有試驗中都靠在書上。
• 將裝滿的桶放在斜坡頂部，桶的邊緣與木塊的頂端對齊。鬆開桶。如果桶沿斜坡滑下，請取下桶並透過移除一本書來降低斜坡高度。如果桶沒有滑下，請取下桶並透過新增一本書來升高斜坡高度。當桶滑下時，書堆有多高？桶滑下所需的最短書堆高度是多少？
• 使用量角器，測量當使用桶滑下所需的最短書堆設定斜坡時，斜坡與地毯相遇的角度。這個角度是多少？
• 當您完成對乾燥木塊的測試後，請從冰箱中取出結冰的木塊。（因為結冰的木塊會隨著時間的推移而解凍，所以在取出它之前，請準備好一切並準備好進行測試。）結冰的木塊與乾燥的木塊相比感覺如何？
• 使用結冰的木塊，像使用乾燥木塊一樣，在斜坡上用桶對其進行測試。桶在結冰的木塊上滑下所需的最短書堆高度是多少？同樣，使用量角器測量斜坡的角度。這個角度是多少？
• 您可以嘗試多次使用不同的書堆高度測試每個斜坡。您的結果是否一致，還是存在一些變化？
• 總的來說，哪個斜坡——用結冰的木頭或乾燥的木頭製成的斜坡——允許桶在較小的斜坡角度下滑動？
• 提示： 如果結冰的木塊在您測試時解凍或看起來乾燥，請將其水平放置在冰箱中，並在其頂部倒一些水。將其在冰箱中放置至少一個小時。再次使用頂面作為斜坡表面進行測試。
• 附加： 桶在由其他材料製成的斜坡上滑動會多容易？使用覆蓋著砂紙、油或鋁箔的木板製作一個類似的斜坡。或者，用這些材料覆蓋桶的底部。使用不同的材料時，桶滑動有多容易？
• 附加： 如果您知道斜坡的高度和長度，則無需使用量角器來計算其角度。您所需要做的就是進行一些數學計算：用於求解斜坡角度的公式是 sin(theta) = 對邊/斜邊。在公式中，“sin”代表正弦，“theta”是角度，“對邊”是斜坡高度，“斜邊”是斜坡長度。在“在直角三角形中求角度”中，瞭解更多關於如何進行此計算的資訊，該文章來自 Math is Fun Advanced。計算出的角度是否與您用量角器測量的角度相符？觀察和結果
總的來說，桶在結冰的斜坡上比在乾燥的斜坡上滑動得更好嗎？桶在結冰的斜坡上滑下所需的最小斜坡角度是否小於在乾燥的斜坡上所需的角度？
當兩個物體相互摩擦時，總是會產生摩擦力，並且兩個物體的表面決定了產生的摩擦量。在此活動中，您應該看到桶和結冰的木頭之間的摩擦力小於乾燥木板的摩擦力。換句話說，當使用結冰的木頭時，桶的滑動所需的斜坡角度比使用乾燥的木頭時小。
要計算摩擦力，必須將摩擦係數乘以物體產生的力，即桶在重力中的質量。儘管桶的質量和重力沒有變化，但兩個斜坡系統的摩擦係數卻發生了變化。結冰的木板和桶底部的摩擦係數低於乾燥的木材和桶的摩擦係數。您可以小心地用手沿著結冰的表面和乾燥的木材表面滑動來輕鬆地感受到這種差異。結冰的木板的冷凍塗層使其比干燥的木材光滑得多。
更多探索
來自波特蘭州立大學的兒童歷史與科學網站 Kidipede 上的“摩擦力”
來自 Rader 的Physics4Kids.com 的運動基礎：摩擦力中的“運動”
來自 Math is Fun Advanced 的“在直角三角形中求角度”
來自科學夥伴的“滑滑溜：摩擦力實驗”
此活動由科學夥伴合作推出