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在重力、弹力、摩擦力等常见的力中,最为复杂的就是摩擦力。对于刚接触高中物理的高一新生来说,在学习这部分内容时,更感到困难。在教材中,也仅仅只有抽象的一句话:摩擦力的方向与相对运动或相对运动趋势的方向相反,至于如何理解和应用,学生也摸不着头脑。本文从教材中摩擦力方向的说明出发,深入理解摩擦力阻碍相对运动的本质,再通过典型实例解析,试图突破如何判断摩擦力的方向这一教学难点。
要判断滑动摩擦力的方向,就先得区分 运动方向 和 相对运动方向 这两个概念。物体的运动方向是相对于地面而言的,而物体的相对运动方向是相对于和它接触的物体而言的。清楚了这两个概念,对我们的判断就更加清晰了。
1.动摩擦力方向判断
例1:如右图所示匀速顺时针转动,物体以初速度为0轻轻放在传送带上,试分析物体受到的摩擦力的方向。
错解:物体放在传送带时后,将在滑动摩擦力的带动下相对
地面向右运动,则物体受到的摩擦力方向向左。
错解分析:物体向右运动是对的,(以地面为参考系)
但物体相对传送带的方向是向左的,(而不打算相对地面,与地面无任何关系)所以受到的摩擦力的方向是向右的。错误的原因是错把运动方向当成了相对运动方向。
根据以上分析,我们欲判断滑动摩擦力的方向,应该明确以下几个方面:
(1)应该明确受力物体和施力物体。
(2)明确受力物体相对施力物体的相对运动方向,而不是受力物体相对地面或其他的参考系,这点是非常重要的。因为摩擦力是发生在受力物体施力物体之间,与任何其他物体无关,这是学生常犯的错误,尤其老是以地为参考系,判断物体相对于地面的方向。
(3)摩擦力的方向和第二步判断出的相对运动的方向相反。
其中(2)应该是最重要的一步,当然也是最难的一步。如上例,学生就是在这点上常犯错误。
2、静摩擦力的方向判断
方法一,假设法
当物体运动时,我们就很容易判断出物体的摩擦力方向是它相对运动方向的反方向,那么我们判斷静摩擦力的方向时,何不想法使物体运动起来。在具体题目中,我们可以假设物体之间的接触面突然变得完全光滑,那么有运动趋势的物体就会向某个方向运动起来,这个运动方向就是物体的运动趋势的方向,它的反方向就是物体受静摩擦力的方向。
例如:有一习题是这样的,一位同学质量为50kg,他用双手握住一根固定的竖直的铁竿,若匀速上爬,他受到的摩擦力大小是多少?方向如何?,若匀速下滑,他受到的摩擦力大小是多少?方向如何?
解析:我们可以判断出人所受的摩擦力是静摩擦力(这不在本文探讨),无论人是向上爬还是向下爬,我们可以假设铁竿突然完全光滑,看人向那个方向运动作为判断的依据:人正在向上爬时,他会向下滑去;同样,人正在向下爬时,假设铁竿突然完全光滑,人还是会向下滑。这样人无论是向上爬还是向下滑,当铁竿突然完全光滑,都会向下滑,那么人所受的静摩擦力方向就是人滑动方向的反方向,这样就很易判断出人所受的静摩擦力的方向都是竖直向上的。
方法二,平衡法
因为物体匀速直线运动时和静止时,它肯定处于平衡状态,所以肯定受到了平衡力的作用,我们对物体作受力分析,就很容易判断出人所受的静摩擦力的方向来。
如上例:因为人是匀速运动的,必定处于平衡状态。当人向上爬铁竿时,在竖直向下方向受到重力的作用,人要在竖直方向上保持平衡状态,肯定还受到一个竖直向上的力的作用,这个力是人与铁竿之间产生的,它就是人受到的静摩擦力了,这样根据平衡条件Ff=mg,我们就很易判断出人所受的静摩擦力方向为竖直向上。当人向下爬时,同样受到竖直向下的重力作用,人要处于平衡状态,也就应受到一个竖直向上的力作用,这个力就是人受到的静摩擦力,它的方向也就是人受到的静摩擦力的方向。这样人无论是向上爬还是向下爬,所受的静摩擦都是竖直向上的。按这个办法,也就很易知道人两种情况所受的静摩擦力大小都为500N。
两种方法得出的结论是一致的,只要我们运用的方法得当,静摩擦力方向的判断并不像我们想象中那么难。
方法三:毛刷法
要判断物体A受到的静摩擦力的方向,可把它想象成毛刷,如图所示,根据刷毛的弯曲方向可知B对A的摩擦力的方向应向右.
要判断地面对物体B的摩擦力的方向,同样可以想象B下表面长有刷毛,如图所示,根据刷毛的弯曲方向可判断地面对B的摩擦力的方向向右.
通过上面的实验,教给你一种判断静摩擦力方向的方法,就是当物体间存在有相对运动趋势时,你可以设想它们的接触面将发生怎样的形变,某物体所受的静摩擦力的方向就是促使它产生形变的方向。
方法四:利用牛顿第二定律法来判断
工件A静止在绕中心O匀速转动的水平转盘上,问工件A所受摩擦力的方向。若转盘加速转动,假设A仍相对转盘静止,摩擦力方向又如何?
解析:工件A所受摩擦力施力物体是转盘,选转盘为参照物。
转盘匀速转动时,工件A在切向与转盘一起匀速运动无相对运动趋势,而在法向却有远离中心O的运动趋势,所以受到指向中心O的静摩擦力。
大小等于F=mrw?,方向指向中心O转盘加速转动时,工件A不仅在法向仍有远离中心O的运动趋势,而且在切向由于惯性,有保持原来较小速度运动而具有的,与线速度V方向相反的运动趋势,所以工件所受静摩擦力应指向如右图(俯视图)
所示方向,既阻碍法向的运动趋势又阻碍切向的运动趋势。
方法五:利用牛顿第三定律来判断
例如,如图图中物块A和B在外力F作用下一起沿水平面向右以加速度a做匀加速直线运动时, 问物块B受到物块A的摩擦力方向?
析:物块B摩擦力提供A物体的加速度a,摩擦力大小为ma,方向水平向右.
根据牛顿第三定律,物块A对B的摩擦力与之相反,方向水平向左。
这种方法的关键是抓住“摩擦力是成对出现的”,先确定受力较少的物体受到的摩擦力方向,再确定另一物体受到的摩擦力的方向.
总结方法 静摩擦力方向的判定方法有以下四种:
①直接判定法;
②假设法;
③毛刷法;
④牛顿第二定律法
⑤牛顿第三定律
其实很多老师都认为摩擦力的有无及方向的判断是高一学生学习物理的一个“骨头”,但是只要我们抓住摩擦力的特征,掌握有效方法,这“骨头”就很易“软化”,成为让学生在物理学习中的“美味”。
要判断滑动摩擦力的方向,就先得区分 运动方向 和 相对运动方向 这两个概念。物体的运动方向是相对于地面而言的,而物体的相对运动方向是相对于和它接触的物体而言的。清楚了这两个概念,对我们的判断就更加清晰了。
1.动摩擦力方向判断
例1:如右图所示匀速顺时针转动,物体以初速度为0轻轻放在传送带上,试分析物体受到的摩擦力的方向。
错解:物体放在传送带时后,将在滑动摩擦力的带动下相对
地面向右运动,则物体受到的摩擦力方向向左。
错解分析:物体向右运动是对的,(以地面为参考系)
但物体相对传送带的方向是向左的,(而不打算相对地面,与地面无任何关系)所以受到的摩擦力的方向是向右的。错误的原因是错把运动方向当成了相对运动方向。
根据以上分析,我们欲判断滑动摩擦力的方向,应该明确以下几个方面:
(1)应该明确受力物体和施力物体。
(2)明确受力物体相对施力物体的相对运动方向,而不是受力物体相对地面或其他的参考系,这点是非常重要的。因为摩擦力是发生在受力物体施力物体之间,与任何其他物体无关,这是学生常犯的错误,尤其老是以地为参考系,判断物体相对于地面的方向。
(3)摩擦力的方向和第二步判断出的相对运动的方向相反。
其中(2)应该是最重要的一步,当然也是最难的一步。如上例,学生就是在这点上常犯错误。
2、静摩擦力的方向判断
方法一,假设法
当物体运动时,我们就很容易判断出物体的摩擦力方向是它相对运动方向的反方向,那么我们判斷静摩擦力的方向时,何不想法使物体运动起来。在具体题目中,我们可以假设物体之间的接触面突然变得完全光滑,那么有运动趋势的物体就会向某个方向运动起来,这个运动方向就是物体的运动趋势的方向,它的反方向就是物体受静摩擦力的方向。
例如:有一习题是这样的,一位同学质量为50kg,他用双手握住一根固定的竖直的铁竿,若匀速上爬,他受到的摩擦力大小是多少?方向如何?,若匀速下滑,他受到的摩擦力大小是多少?方向如何?
解析:我们可以判断出人所受的摩擦力是静摩擦力(这不在本文探讨),无论人是向上爬还是向下爬,我们可以假设铁竿突然完全光滑,看人向那个方向运动作为判断的依据:人正在向上爬时,他会向下滑去;同样,人正在向下爬时,假设铁竿突然完全光滑,人还是会向下滑。这样人无论是向上爬还是向下滑,当铁竿突然完全光滑,都会向下滑,那么人所受的静摩擦力方向就是人滑动方向的反方向,这样就很易判断出人所受的静摩擦力的方向都是竖直向上的。
方法二,平衡法
因为物体匀速直线运动时和静止时,它肯定处于平衡状态,所以肯定受到了平衡力的作用,我们对物体作受力分析,就很容易判断出人所受的静摩擦力的方向来。
如上例:因为人是匀速运动的,必定处于平衡状态。当人向上爬铁竿时,在竖直向下方向受到重力的作用,人要在竖直方向上保持平衡状态,肯定还受到一个竖直向上的力的作用,这个力是人与铁竿之间产生的,它就是人受到的静摩擦力了,这样根据平衡条件Ff=mg,我们就很易判断出人所受的静摩擦力方向为竖直向上。当人向下爬时,同样受到竖直向下的重力作用,人要处于平衡状态,也就应受到一个竖直向上的力作用,这个力就是人受到的静摩擦力,它的方向也就是人受到的静摩擦力的方向。这样人无论是向上爬还是向下爬,所受的静摩擦都是竖直向上的。按这个办法,也就很易知道人两种情况所受的静摩擦力大小都为500N。
两种方法得出的结论是一致的,只要我们运用的方法得当,静摩擦力方向的判断并不像我们想象中那么难。
方法三:毛刷法
要判断物体A受到的静摩擦力的方向,可把它想象成毛刷,如图所示,根据刷毛的弯曲方向可知B对A的摩擦力的方向应向右.
要判断地面对物体B的摩擦力的方向,同样可以想象B下表面长有刷毛,如图所示,根据刷毛的弯曲方向可判断地面对B的摩擦力的方向向右.
通过上面的实验,教给你一种判断静摩擦力方向的方法,就是当物体间存在有相对运动趋势时,你可以设想它们的接触面将发生怎样的形变,某物体所受的静摩擦力的方向就是促使它产生形变的方向。
方法四:利用牛顿第二定律法来判断
工件A静止在绕中心O匀速转动的水平转盘上,问工件A所受摩擦力的方向。若转盘加速转动,假设A仍相对转盘静止,摩擦力方向又如何?
解析:工件A所受摩擦力施力物体是转盘,选转盘为参照物。
转盘匀速转动时,工件A在切向与转盘一起匀速运动无相对运动趋势,而在法向却有远离中心O的运动趋势,所以受到指向中心O的静摩擦力。
大小等于F=mrw?,方向指向中心O转盘加速转动时,工件A不仅在法向仍有远离中心O的运动趋势,而且在切向由于惯性,有保持原来较小速度运动而具有的,与线速度V方向相反的运动趋势,所以工件所受静摩擦力应指向如右图(俯视图)
所示方向,既阻碍法向的运动趋势又阻碍切向的运动趋势。
方法五:利用牛顿第三定律来判断
例如,如图图中物块A和B在外力F作用下一起沿水平面向右以加速度a做匀加速直线运动时, 问物块B受到物块A的摩擦力方向?
析:物块B摩擦力提供A物体的加速度a,摩擦力大小为ma,方向水平向右.
根据牛顿第三定律,物块A对B的摩擦力与之相反,方向水平向左。
这种方法的关键是抓住“摩擦力是成对出现的”,先确定受力较少的物体受到的摩擦力方向,再确定另一物体受到的摩擦力的方向.
总结方法 静摩擦力方向的判定方法有以下四种:
①直接判定法;
②假设法;
③毛刷法;
④牛顿第二定律法
⑤牛顿第三定律
其实很多老师都认为摩擦力的有无及方向的判断是高一学生学习物理的一个“骨头”,但是只要我们抓住摩擦力的特征,掌握有效方法,这“骨头”就很易“软化”,成为让学生在物理学习中的“美味”。