静摩擦力认识上的几个疑点详解

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   在物理教学中,摩擦力是一个重点,也是一个难点,尤其是关于静摩擦力的概念和一些计算,学生在学习的过程中认识上存在着一些盲点,现逐一予以详细说明。
  
  一、压力不是计算静摩擦力的因素,却是静摩擦力存在的必需条件
  
  根据静摩擦力的定义,静摩擦力是在两个相互接触并且有相对运动趋势的物体间产生的,我们归纳出静摩擦力产生的三个条件:①物体之间相互接触,并且有正压力;②接触面粗糙;③物体之间有相对运动趋势。对于后两个条件,学生几乎没有什么疑问,但是对于第一个条件中的“有正压力”,很大一部分学生却不能理解。他们认为在计算静摩擦力的时候,计算的结果在很多情况下是和压力无关的量,因此可以不存在正压力。
  
  例1:如左图所示,用一水平力F将质量为G=10N的物体A压在墙上,使之静止。当水平压力从5N逐渐增大到20N时,墙对物体A的摩擦力如何变化?
  解析:首先对物体进行受力分析,物体受到四个力的作用,水平方向的压力和墙对物体的支持力,竖直方向上物体的重力和墙的摩擦力,由于物体处于静止状态,所以竖直方向上受力平衡,即摩擦力f=G=10N。而与水平方向上的压力F的大小无关。不管F的大小如何变化,只要物体处于静止状态,f=G=10N,也就是墙对物体的静摩擦力始终等于重力。
  有的同学就此题提出这样的问题:既然静摩擦力的大小与压力F的大小无关,那么F可以等于任何值,当然F也可以等于零,这个时候压力就可以不存在,那么这不是与定义条件①“有正压力”相互矛盾吗?
  这种认识是错误的,虽然在这道题中静摩擦力的大小的确与压力F无关,但是压力并不是可有可无的,因为,可知最大静摩擦力的大小与压力F有关,如果F=0,则最大静摩擦力等于零,可推出f=0,物体在竖直方向上只受到重力的作用,不会静止在如图位置,运动状态要发生改变。所以压力的存在是保证物体相互接触的必需条件,它虽然与静摩擦力的大小计算没有直接关系,但是却是保证静摩擦力存在不可缺少的条件,不是可有可无的。
  类似于此问题的还有如下题目:
  例2:一个人拿着油瓶时,会用力捏紧,他这样做的目的是 。
  解析:由上题的分析可知,静摩擦力f=G,与正压力无关,但是fmax=μN,所以增大正压力是为了增大最大静摩擦力。
  
  二、当静摩擦力为零时,接触面可以光滑,也可以粗糙
  
  接触面粗糙可以产生静摩擦力,也可以不产生静摩擦力,具体情况要根据摩擦力的产生条件来判断。那么反过来说,当静摩擦力的大小为零时,接触面可以是粗糙的,也可以是光滑的,这种说法也是正确的。在实际问题中我们要根据物体的受力情况和物体的状态综合考虑,仔细分析。
  例3:如下图,A、B、C三个物体放平面D上且相对静止,已知F1=2N,F2=1N,F3=3N,判断平面D是否光滑?
  
  解析:把ABC看成一个整体,则这个整体受到三个力的合力为0,又因为物体静止,所以不论平面D是光滑还是粗糙,C D之间的摩擦力大小为0。此题的结论是 平面D可能是光滑的,也可能是粗糙的。
  在研究摩擦力时不能受思维定势的影响,认为摩擦力的大小为0时,接触面一定是光滑的。要根据物体的运动状态具体进行受力分析,然后运用有关理论进行判断,才是解决物理问题的正确方法。
  
  三、自行车运动时受摩擦力情况分析
  
  在中学物理的很多参考书中,有关讨论自行车运动时受到的摩擦力的题目,给出的答案都是前轮受到的摩擦力向后,后轮受到的摩擦力向前。并没有对具体受到摩擦力的情况进行全面分析。很多细心的学生会对自行车的轮子受到的摩擦力的情况产生质疑:自行车的车轮是滚动的,为什么会受到静摩擦力呢?为什么没有滑动摩擦力呢?
  关于物体受到的摩擦力,在中学时接触最多的是静摩擦力和滑动摩擦力。其实,还有一种中学接触不多的滚动摩擦力。
  在研究物体运动时,两个相互接触的物体,接触面粗糙,如果一个物体相对于另外一个物体有相对运动趋势但是还未发生相对滑动,我们把这时物体受到的摩擦力称为静摩擦力;如果发生了相对滑动,那么在滑动过程中受到的摩擦力称为滑动摩擦力;如果一个物体相对于沿着另外一个物体滚动或者有滚动趋势时,我们把接触面上存在的摩擦力称为滚动摩擦力。如果物体在滚动的过程中有滑动过程,那么称为有滑滚动;如果滚动过程中没有滑动的过程存在,称为无滑滚动,或者是纯滚动。
  自行车前进的过程中,在轮胎不打滑的情况下,其滚动是无滑滚动。根据摩擦力的定义,这个过程中自行车受到静摩擦力和滚动摩擦力的作用。因为自行车轮胎上和地面接触的部分与地面之间有相对运动趋势但是没有发生相对运动,所以受到静摩擦力的作用。同时,自行车在地面上滚动,受到滚动摩擦力的作用。在自行车刹车减速的过程中,受到的摩擦力除了静摩擦力和滚动摩擦力外,还有滑动时产生的滑动摩擦力。■
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