小口诀解决“大”摩擦

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  1 问题提出
  初中物理九年级第十三章讲到了摩擦力,学生普遍觉得有关摩擦力的问题解决起来比较棘手.当然这也是必然的.有关摩擦力的问题用到的知识点较多,除了涉及到摩擦力与什么有关的知识外,还用到力的作用效果的知识、二力平衡的知识、相互作用力的知识,而且摩擦力还分为滑动摩擦力和静摩擦力,整个问题综合性非常强.学生遇到这类问题就好像刘姥姥进了大观园,眼花缭乱,迈条腿都很困难.看来找一种有规律的分析摩擦力题目的方法就很有必要了.
  先看看下面两个例子.
  例1 体重为490 N的小明同学分别匀速的爬杆和爬绳,请问他哪一次所受的摩擦力较大?
  分析 题中所给的信息中,最直观的是两次爬的材料不同、粗糙程度不同,自然就让同学们想到摩擦力与粗糙程度有关,自认为找对了解决问题的方向.顺着这个方向就顺利的得出了一个错误答案:爬绳时摩擦力比爬杆时摩擦力要大.
  例2 如图1,将木块放在粗糙程度相同的水平桌面上,小明水平拉动木块,当拉力F=10 N时,木块以0.2 m/s速度匀速直线运动,此时木块所受f=_____N.当F=15 N,木块所受摩擦力如何变化?______.当木块以0.4 m/s的速度运动时,摩擦力如何变化?_______.当运动木块不受拉力而减速时,摩擦力如何变化?)_______.
  分析 第一问一般同学能很顺利的根据二力平衡条件得出正确结论f=10 N.但后面几问就存在问题了.比如F=15 N时,很多同学都没有意识到这时已不是平衡态,还是按二力平衡的条件来处理,就得到f=15 N的错误答案.再如当木块0.4 m/s运动时,很多同学认为速度变大了,摩擦力就变大了,同样,木块减速时,一般会认为摩擦力会大于拉力,则错误的认为摩擦力在0.4 m/s时会变大.
  出现这样的问题都是同学们分析题目时切入点的选择出了问题.都把物体运动状态的变化作为切入点,而忽略了滑动摩擦力本身的特征,从而被出题人牵着鼻子走向错误.
  2 知识回顾
  要跳出这两种陷阱就得先重温一下两种不同摩擦力的特点.
  2.1 滑动摩擦力
  滑动摩擦力是相互接触的两个物体发生相对运动时,在接触面产生的一种阻碍相对运动的力.
  滑动摩擦力的大小仅与压力大小和接触面粗糙程度有关.这两个条件不变则滑动摩擦力大小不会变,与研究对象的运动状态是无关的,如速度大小、加速减速、接触面积大小、所受拉力大小等变化不会影响滑动摩擦力变化.
  2.2 静摩擦力
  静摩擦力是由于相互接触的两个物体发生相对运动趋势时,在接触面产生的一种阻碍相对运动趋势的力.
  由于静摩擦始终处于静止状态,也即平衡态,所以它的大小要从二力平衡入手.与静摩擦力平衡的力如何变化,静摩擦力就随之变化,保持平衡,符合二力平衡条件.特别要注意的是,静摩擦力与压力大小、接触面粗糙程度反而没关系.(最大静摩擦力除外)
  3 陷阱分析
  如果把出题人比作猎人,那让我们来看看猎人如何埋设有关摩擦力的陷阱来混淆视听,让做题者不自觉的落入圈套.
  圈套若没有掩饰而是直接暴露在外面就不能称作陷阱了.摩擦力的陷阱如何来掩饰呢?主要方法有两种:
  第一种是静摩擦力.本来静摩擦力大小仅与与之平衡的力大小有关,与压力大小、接触面粗糙程度无关,但出题时故意大讲压力和粗糙程度的变化,让做题人审题时,审着审着就被牵到滑动摩擦力的研究方法上去了.更有甚者,出题人变静为动,如例1中让人觉得小明在运动,是滑动摩擦力,实际上不论爬绳还是爬杆,人手与绳、杆接触时都没有位置变化,是静摩擦力.
  第二种是滑动摩擦力.本来滑动摩擦力大小仅与压力大小和接触面粗糙程度有关,与物体的运动状态变化无关,但在出题时,出题人丝毫不提压力和接触面粗糙程度不变,而是大谈什么加速、减速、高速、低速、拉力、推力的变化、面积的变化,让审题者不由自主的考虑运动状态的变化,从而得出错误结论.更有意思的是:往往这类题目会给出一个匀速直线运动的平衡态,这是求滑动摩擦力的突破口、切入点,而从这一条件的确可以得到滑动摩擦力的大小,更让审题者坚信思考方向正确,但后面就悄悄改变了这种平衡态,很容易让人上当受骗,真是防不胜防!
  4 应对的技巧
  其实,这两种陷阱都是利用了同学们概念不清,立场不坚的缺点,对滑动摩擦力和静摩擦力与什么有关的问题混淆了.那怎么样解决这个问题呢?用两个小口诀吧!在教学中我为滑动摩擦力和静摩擦力各设计了一个口诀,让同学们做题时利用口诀做引导,提醒自己在解决摩擦力问题时保持头脑清醒,不再混淆概念.
  
  滑动摩擦力的口诀——以不变应万变.
  这里“不变”特指压力不变、接触面粗糙程度不变.而“万变”则是指面积大小变化、拉力大小变化、速度大小变化以及加速、减速的变化.口诀的意思就是说:研究滑动摩擦力时,不论面积大小、拉力大小、速度大小及加速、减速如何变化,只要压力和接触面粗糙程度不变,则滑动摩擦力大小就不变.当然,一般题目中会先出现一个匀速直线运动的平衡态,这是求滑动摩擦力的突破口,利用这个平衡态可先求出滑动摩擦力大小.
  例3 如图2所示,水平桌面足够长,不计托盘质量和滑轮与绳的摩擦,物体A重10 N.
  ①当物体B重为2 N时,物体A保持静止,这时A物体受到的摩擦力为______N,方向为_______.
  ②当物体B重为3 N时,物体A向右做匀速直线运动,此时A物体受到的摩擦力为______N,方向为______.
  ③运动一段时间后,托盘着地,此后物体A做______运动,受到的摩擦力是______N.
  ④若想使重为8 N的B物体匀速上升,则应在A施加______N的方向向_______的力.
  分析 第一问中,物体拉而未动,是静摩擦,不能用此口诀.
  第二问中物体保持平衡态,可利用二力平衡条件求出摩擦力为3 N.   第三问中托盘着地后,A水平方向仅受摩擦力,且与运动方向相反,所以减速.
  而压力和粗糙程度不变,仅是速度在减小,利用口诀就知滑动摩擦力不变,依然是3 N.
  第四问中,虽然A运动的方向变了,但压力和粗糙程度没变,所以桌面给A的摩擦力大小并没变.再根据平衡力的关系不难解出向右的合力为11 N,所以对A施加的力大小应是11 N方向向左.
  
  静摩擦力的口诀——随机应变
  这里“机”是指与静摩擦力平衡的那个力.意思就是说静摩擦力仅与之平衡的力相等.而与影响滑动摩擦力的因素(压力和接触面粗糙程度)无关.当然了,这种题型首先要做的是要判断和确定是否是静摩擦力,有时物体在运动,看似在运动,象是滑动摩擦力,实际上是静摩擦力,如爬绳和爬杆时,人的总体在向上运动,但每次手握住绳子时没有相对运动,只是有相对运动趋势,所以是静摩擦力.
  例4 如图3,物体A在水平力F的作用下静止在竖直墙壁上,当水平力减小为F/2时,物体A还是静止在墙壁上,那么此时摩擦力大小如何变化?
  分析 因为A始终没相对墙壁运动,但有相对运动趋势,属于静摩擦力,符合“随机应变”.而与A平衡的力是重力,所以虽然压力大小在改变,但与它没关系,摩擦力只与重力平衡,重力大小不变,所以A所受摩擦力大小不变.
  特殊情况分析
  还有一种情况就是看起来物体相对于地面是在运动,但是与接触面之间是在做同向、同速的同步运动,与接触面之间也没有相对运动趋势,这个时候压根就没有摩擦力,但概念不清的同学在这里就分不清了!往往当滑动摩擦力来分析.
  例5 如图4所示,一个木块随着传送带一起匀速向右运动,这时木块
  A.受到向右的摩擦力 B.受到向左的摩擦力
  C.不受摩擦力的作用D.受的不是平衡力的作用
  分析 木块随传送带同向、同速匀速,木块相对传送带静止,而且没有相对运动趋势,所以没受到摩擦力.
  如图5中木块A、B被拉力F拉着匀速直线向右运动中也一样.木块A没有受到摩擦力.
  归纳总结:利用摩擦力口诀解决问题的流程图.
  5 技巧的应用
  例1.如图甲所示,放在水平地面上的物体,受到方向不变的水平推力F的作用,F的大小与时间t的关系和物体运动速度v与时间t的关系如图乙所示.由图象可知当t=1 s时物体受到的摩擦力为______N.t=3 s时,物体受到的摩擦力大小为______N,合力为______ N.
  分析 (1)t=1 s时静止不动但有运动趋势,是静摩擦,所以摩擦力为1 N.
  (2) t=3 s时,物体加速运动,是滑动摩擦力,以不变应万变,与拉力F无关.要找匀速直线运动时摩擦力做突破口,即与4 s~6s时的摩擦力相等,大小为2 N.
  例2 如图7甲所示,用一拉力传感器(能感应力大小的装置)水平向右拉一水平面上的木块,A端的拉力均匀增加.0~tl时间木块静止,木块运动后改变拉力,使木块t2后处于匀速直线运动状态.计算机对数据进行处理后,得到如图7乙所示拉力随时间变化图线.
  (1)当用F=5.3 N的水平拉力拉静止的木块时,木块 所受摩擦力大小为______N;
  (2)若用F=5.8 N的水平拉力拉木块,木块所受摩擦力大小为______N.
  分析 (1)由图7可知,当用F=5.3 N的水平拉力拉静止的木块时,木块没动,是静摩擦力,与拉力平衡,所以摩擦力大小也为5.3 N.
  (2)由图可知,当F=5.8 N的水平拉力拉木块时,木块已经在运动,是滑动摩擦力,这时要找匀速直线运动时摩擦力作为突破口,即5.1 N.
  教学中,教师可用这两种口诀带着学生去处理几题,让学生学会应用,养成习惯后学生就可以自己应用,效果不错.
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