谈功能关系中的摩擦力做功问题

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  众所周知,滑动摩擦力做功与路径有关,那么是否路径相同,滑动摩擦力做的功就一定相同呢?答案当然是否定的,只有滑动摩擦力大小相同,运动路径轨迹也相等时滑动摩擦力做功才相等.然而在实际问题当中,特别是曲线运动当中很多情况下滑动摩擦力会隐藏得很深,需要具备一双“火眼金睛”才能识别出滑动摩擦力大小的变化.试看如下两例.
  典例1 如图1所示,半圆形轨道MON竖直放置且固定在地面上,直径MN是水平的.一小物块从M点正上方高度为H处自由下落,正好在M点滑入半圆轨道,测得其第一次离开N点后上升的最大高度为H/2.小物块接着下落从N点滑入半圆轨道,在向M点滑行过程中(整个过程不计空气阻力)
  A.小物块正好能到达M点
  B.小物块一定到不了M点
  C.小物块一定能冲出M点
  D.不能确定小物块能否冲出M点
  分析 根据动能定理求解质点在半圆轨道中摩擦力做功;除重力之外的力做功可量度物体机械能的变化;第二次小球在半圆轨道中滚动时,对应位置处速度变小,因此半圆轨道给小球的弹力变小,摩擦力变小,摩擦力做功变小.
  点评 选取研究过程,运用动能定理解题.动能定理的优点在于适用任何运动包括曲线运动.了解研究对象的运动过程是解决问题的前提,根据题目已知条件和求解的物理量选择物理规律解决问题.动能定理的应用范围很广,可以求速度、力、功等物理量,特别是可以去求变力功.此例中机械能的损失也是缘于滑动摩擦力做的功,但由于下滑速度与上升速度的不同,对于竖直平面内圆周运动来说各点的弹力大小不同,从而导致滑动摩擦力大小不同.尽管通过的路径相同,每次损失的机械能也不同.
  综上所述,滑动摩擦力做功与路径和自身大小有关.在竖直平面内圆周运动中,由于滑动摩擦力的存在,每次通过相同的位置由于速度大小都不同,导致弹力大小不一样,从而克服摩擦做的功也不一樣.只有把握住滑动摩擦力与弹力成正比这一条件,并结合竖直平面内圆周运动速度大小不同弹力不同这一特点,才能正确分析出滑动摩擦力做功不同.这就要求我们在平时学习中深入挖掘出“弹力不同”这一隐含条件,结合滑动摩擦力做功引起机械能与内能的转化这一功能关系来解决.
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