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摘 要:摩擦力是三种基本性质的力之一,在初中物理教学中,摩擦力既是重点,又是难点,为了更清楚的认识摩擦力,作者结合多年的教学经验,分别从摩擦力产生的条件,滑动摩擦力的大小和方向,静摩擦力的大小和方向,静摩擦力转变为滑动摩擦力等方面加以分析。
关键词:摩擦力相对运动相对运动趋势滑动摩擦力静摩擦力最大静摩擦力
中图分类号:G63 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)05(c)-0093-01
1 正确理解摩擦力产生的条件
产生摩擦力的条件有:(1)两物体相互接触;(2)两物体间有相互作用的弹力;(3)两接触面均粗糙;(4)物体间有相对运动或相对运动的趋势。在这四个条件中,前三个条件很容易看出,第四个条件较难分析,那么,如何来判断物体的相对运动或相对运动趋势呢？重要的是选好参照物,不管是相对运动还是相对运动趋势,都必须以彼此接触的两物体为参照物,而不是以两物体之外的物体为参照物。
1.1 判断相对运动
相对运动是指两接触物体之间的位置发生改变,发生相对运动的两物体可能都在运动,也可能一物体运动一物体静止。例如:用黑板擦擦黑板上的粉笔字;以黑板为参照物,黑板擦相对黑板向前运动,黑板擦与黑板间的位置发生了改变,因此,黑板檫相对黑板发生了运动;反过来,以黑板擦为参照物,黑板相对黑板擦向后运动,二者之间的位置也发生了改变,因此,黑板相对黑板擦也发生了运动。但有学生认为黑板没动,没有发生相对运动。显然,以地面为参照物,黑板确实静止不动,而我们研究相对运动时,是以彼此接触的物体为参照物,学生得出错误的结论,其原因是错选了参照物。
1.2 判断相对运动趋势
相对运动趋势是指两接触物体间的位置不变即相对静止,但有一种运动的趋势,通常可用假设法来判断,先假设接触面是光滑的,看被研究的物体相对接触面是否会运动,如果会运动,则有相对运动趋势,否则没有。例如:用传送带把货物匀速由低处送往高处,货物与传送带相对静止,假设传送带表面光滑,货物会向下滑动,所以货物相对传送带有向下的运动趋势。又如:用传送带水平匀速地运送货物,货物与传送带相对静止,假设传送带表面光滑,货物不会运动,所以,货物相对传送带没有运动趋势。
2 滑动摩擦力
摩擦力分为动摩擦力和静摩擦力,动摩擦力又分为滑动摩擦力和滚动摩擦力,初中物理主要研究滑动摩擦力,滑动摩擦力是指两个相互接触的物体,当它们产生相对运动时,在接触面上产生一种阻碍相对运动的力。
2.1 滑动摩擦力的大小
采用控制变量法通过实验得出结论:滑动摩擦力大小由动摩擦因素和正压力决定的,用公式表为:f=μN,其中μ为动摩擦力因数,动摩擦因数是由物体接触面的粗糙程度决定,接触面越粗糙,动摩擦系数越大,注意动摩擦因数是由两物体相对接触的两表面共同的粗糙程度决定,而不是单独某物体决定。另一个N为正压力,与重力没有必然联系,有时二者也会相等。如:用一水平拉力F拉物体在水平桌面上移动,此时物体对桌面的压力等于物体的重力。又如在水平力F的作用下物体沿竖直墙面下滑,物体对墙面的压力等于外力F,与重力无关。
也有少数同学认为滑动摩擦力的大小与接触面积的大小有关,这些同学认为摩擦力产生于接触面间,当接触面减少时,产生摩擦力的面积总量就相应小了,所以认为摩擦力也在逐渐减小,这些同学只片面强调了接触面积的减小,没有考虑到挤压程度变大的影响,可以设想,虽然面积变小,但压力不变必然造成压强变大,使得物体间镶嵌得更加紧密,所以滑动摩擦力不会变,与接触面积大小无关。
2.2 滑动摩擦力的方向
滑动摩擦力的方向总是与物体相对运动的方向相反,跟物体的实际运动方向无关,例如:小孩沿向下移动的电梯滑下来,在站着的大人早到达地面,小孩和电梯分别受到什么方向的摩擦力？小孩相对电梯向下运动,所以小孩受到沿电梯向上的摩擦力,而电梯相对小孩向上运动,所以电梯受到沿电梯向下的摩擦力。
3 静摩擦力
静摩擦力是指两个相互接触的物体,当它们有相对运动趋势时,在接触面上产生一种阻碍相对运动趋势的力。
3.1 静摩擦力的大小
静摩擦力的大小取决于物体的受力情况和运动情况,在物体产生相对运动之前是个不定值,通常采用平衡法和非平衡法求其大小。
(1)平衡法。一般来说,当物体处于平衡状态时,可根据平衡条件ΣF=O来分析确定静摩擦力的大小,例如:放在水平地面上的物体,受一水平拉力后,物体保持静止,根据水平方向二力平衡可知,静摩擦力大小等于拉力大小,只要物体保持静止,拉力增大,静摩擦力也增大且二者大小总是相等。
(2)非平衡法。当物体处于非平衡状态时,可根据牛顿第二定律来分析静摩擦力的大小,例如:物体A放在水平放置的圆盘B上,随B一起作习速转动,则物体A受到的静摩擦力是多大？在竖直方向上物体A受重力G和圆盘B对它的支持力而平衡,而A在水平面内作习速圆周运动所需的合外力(向心力),则是由圆盘B对物体A的静摩擦力来提供,由牛顿第二定律可知,摩擦力F=m=mrω2
3.2 静摩擦力的方向
静摩擦力的方向总是跟物体相对运动趋势的方向相反。当物体的受力和运动状态发生改变时,静摩擦力的方向也可能发生改变。
4 静摩擦力转变为滑动摩擦力
当物体的受力情况和运动状态发生改变时,受到的摩擦力也可能发生改变。
(1)一个物体随着外力的增大,物体受到的静摩擦力也增大,直到最大静摩擦力,当外力超过最大静摩擦力时,物体便开始运动,静摩擦力就转变为滑动摩擦力,那么最大静摩擦力与什么有关呢？通过实验可知fmax=μN,即最大静摩擦力与静摩擦系数和正压力成正比,其中静摩擦系比动摩擦系数稍大,所以当推动或拉动物体时,要使物体运动就必须使推力或拉力大于最大静摩擦力。例如:用力推地面上的课桌,在课桌未运动之前,课桌相对地有相对运动趋势,课桌受到静摩擦力,大小等于推力,当推力超过最大静摩擦力时,课桌相对地面运动起来,此时课桌受到滑动摩擦力,其大小与推力无关。
(2)一个物体,当外力发生改变时,静摩擦力没变,只改变了最大静摩擦力,同样,静摩擦力转变为滑动摩擦力。例如:用一水平力将一物体压在竖直粗糙的墙壁上,随着压力的减小,最终物体沿墙面滑下来,为什么呢？在物体下滑之前,根据二力平衡知,物体受到的静摩擦力大小与其重力大小相等方向相反,与压力无关;随着压力的减小,最大静摩擦力也减小,当最大静摩擦力小于重力时物体开始下滑,此时,静摩擦力转变为滑动摩擦力。
总之,摩擦力研究的方面很广,只有深入透彻地认识摩擦力,才能更大程度地利用摩擦力,改进生产,改善生活。
参考文献
[1] 徐行.力学[M].内蒙古人民出版社,1993.
[2] 深昆淼.力学(上册)[M].高等教育出版社,1998.
[3] 汪劲章.关于摩擦力的几个问题[J].山西科技报,2003(9).
关键词:摩擦力相对运动相对运动趋势滑动摩擦力静摩擦力最大静摩擦力
中图分类号:G63 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)05(c)-0093-01
1 正确理解摩擦力产生的条件
产生摩擦力的条件有:(1)两物体相互接触;(2)两物体间有相互作用的弹力;(3)两接触面均粗糙;(4)物体间有相对运动或相对运动的趋势。在这四个条件中,前三个条件很容易看出,第四个条件较难分析,那么,如何来判断物体的相对运动或相对运动趋势呢？重要的是选好参照物,不管是相对运动还是相对运动趋势,都必须以彼此接触的两物体为参照物,而不是以两物体之外的物体为参照物。
1.1 判断相对运动
相对运动是指两接触物体之间的位置发生改变,发生相对运动的两物体可能都在运动,也可能一物体运动一物体静止。例如:用黑板擦擦黑板上的粉笔字;以黑板为参照物,黑板擦相对黑板向前运动,黑板擦与黑板间的位置发生了改变,因此,黑板檫相对黑板发生了运动;反过来,以黑板擦为参照物,黑板相对黑板擦向后运动,二者之间的位置也发生了改变,因此,黑板相对黑板擦也发生了运动。但有学生认为黑板没动,没有发生相对运动。显然,以地面为参照物,黑板确实静止不动,而我们研究相对运动时,是以彼此接触的物体为参照物,学生得出错误的结论,其原因是错选了参照物。
1.2 判断相对运动趋势
相对运动趋势是指两接触物体间的位置不变即相对静止,但有一种运动的趋势,通常可用假设法来判断,先假设接触面是光滑的,看被研究的物体相对接触面是否会运动,如果会运动,则有相对运动趋势,否则没有。例如:用传送带把货物匀速由低处送往高处,货物与传送带相对静止,假设传送带表面光滑,货物会向下滑动,所以货物相对传送带有向下的运动趋势。又如:用传送带水平匀速地运送货物,货物与传送带相对静止,假设传送带表面光滑,货物不会运动,所以,货物相对传送带没有运动趋势。
2 滑动摩擦力
摩擦力分为动摩擦力和静摩擦力,动摩擦力又分为滑动摩擦力和滚动摩擦力,初中物理主要研究滑动摩擦力,滑动摩擦力是指两个相互接触的物体,当它们产生相对运动时,在接触面上产生一种阻碍相对运动的力。
2.1 滑动摩擦力的大小
采用控制变量法通过实验得出结论:滑动摩擦力大小由动摩擦因素和正压力决定的,用公式表为:f=μN,其中μ为动摩擦力因数,动摩擦因数是由物体接触面的粗糙程度决定,接触面越粗糙,动摩擦系数越大,注意动摩擦因数是由两物体相对接触的两表面共同的粗糙程度决定,而不是单独某物体决定。另一个N为正压力,与重力没有必然联系,有时二者也会相等。如:用一水平拉力F拉物体在水平桌面上移动,此时物体对桌面的压力等于物体的重力。又如在水平力F的作用下物体沿竖直墙面下滑,物体对墙面的压力等于外力F,与重力无关。
也有少数同学认为滑动摩擦力的大小与接触面积的大小有关,这些同学认为摩擦力产生于接触面间,当接触面减少时,产生摩擦力的面积总量就相应小了,所以认为摩擦力也在逐渐减小,这些同学只片面强调了接触面积的减小,没有考虑到挤压程度变大的影响,可以设想,虽然面积变小,但压力不变必然造成压强变大,使得物体间镶嵌得更加紧密,所以滑动摩擦力不会变,与接触面积大小无关。
2.2 滑动摩擦力的方向
滑动摩擦力的方向总是与物体相对运动的方向相反,跟物体的实际运动方向无关,例如:小孩沿向下移动的电梯滑下来,在站着的大人早到达地面,小孩和电梯分别受到什么方向的摩擦力？小孩相对电梯向下运动,所以小孩受到沿电梯向上的摩擦力,而电梯相对小孩向上运动,所以电梯受到沿电梯向下的摩擦力。
3 静摩擦力
静摩擦力是指两个相互接触的物体,当它们有相对运动趋势时,在接触面上产生一种阻碍相对运动趋势的力。
3.1 静摩擦力的大小
静摩擦力的大小取决于物体的受力情况和运动情况,在物体产生相对运动之前是个不定值,通常采用平衡法和非平衡法求其大小。
(1)平衡法。一般来说,当物体处于平衡状态时,可根据平衡条件ΣF=O来分析确定静摩擦力的大小,例如:放在水平地面上的物体,受一水平拉力后,物体保持静止,根据水平方向二力平衡可知,静摩擦力大小等于拉力大小,只要物体保持静止,拉力增大,静摩擦力也增大且二者大小总是相等。
(2)非平衡法。当物体处于非平衡状态时,可根据牛顿第二定律来分析静摩擦力的大小,例如:物体A放在水平放置的圆盘B上,随B一起作习速转动,则物体A受到的静摩擦力是多大？在竖直方向上物体A受重力G和圆盘B对它的支持力而平衡,而A在水平面内作习速圆周运动所需的合外力(向心力),则是由圆盘B对物体A的静摩擦力来提供,由牛顿第二定律可知,摩擦力F=m=mrω2
3.2 静摩擦力的方向
静摩擦力的方向总是跟物体相对运动趋势的方向相反。当物体的受力和运动状态发生改变时,静摩擦力的方向也可能发生改变。
4 静摩擦力转变为滑动摩擦力
当物体的受力情况和运动状态发生改变时,受到的摩擦力也可能发生改变。
(1)一个物体随着外力的增大,物体受到的静摩擦力也增大,直到最大静摩擦力,当外力超过最大静摩擦力时,物体便开始运动,静摩擦力就转变为滑动摩擦力,那么最大静摩擦力与什么有关呢？通过实验可知fmax=μN,即最大静摩擦力与静摩擦系数和正压力成正比,其中静摩擦系比动摩擦系数稍大,所以当推动或拉动物体时,要使物体运动就必须使推力或拉力大于最大静摩擦力。例如:用力推地面上的课桌,在课桌未运动之前,课桌相对地有相对运动趋势,课桌受到静摩擦力,大小等于推力,当推力超过最大静摩擦力时,课桌相对地面运动起来,此时课桌受到滑动摩擦力,其大小与推力无关。
(2)一个物体,当外力发生改变时,静摩擦力没变,只改变了最大静摩擦力,同样,静摩擦力转变为滑动摩擦力。例如:用一水平力将一物体压在竖直粗糙的墙壁上,随着压力的减小,最终物体沿墙面滑下来,为什么呢？在物体下滑之前,根据二力平衡知,物体受到的静摩擦力大小与其重力大小相等方向相反,与压力无关;随着压力的减小,最大静摩擦力也减小,当最大静摩擦力小于重力时物体开始下滑,此时,静摩擦力转变为滑动摩擦力。
总之,摩擦力研究的方面很广,只有深入透彻地认识摩擦力,才能更大程度地利用摩擦力,改进生产,改善生活。
参考文献
[1] 徐行.力学[M].内蒙古人民出版社,1993.
[2] 深昆淼.力学(上册)[M].高等教育出版社,1998.
[3] 汪劲章.关于摩擦力的几个问题[J].山西科技报,2003(9).