tanθ和 μ的关系是分析斜面问题的抓手

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  一、基本模型
  如图1所示,一质量为M的斜面体放在水平地面上,另一质量为m的物体放在斜面上,由于物体m与斜面体M间的动摩擦因数μ的不同,物体m在斜面上运动的情况也会不同,斜面体受到地面的摩擦力情况就不同.
  二、分类分析
  1.物体m在斜面上恰好匀速下滑
  物体匀速下滑时,受力情况如图2所示,易知重力沿斜面方向的分力与摩擦力相等,即:
  此时放在地面的斜面体受力情况如图3所示.
  由于物体对斜面的摩擦力的水平分力是:
  而此时物体对斜面的压力FN的水平分力是:
  由于物体对斜面的摩擦力的水平分力和物体对斜面的压力FN的水平分力是相等的,所以斜体没有向左右运动的趋势,地面对斜面体没有静摩擦力.
  此问题也可以这样理解:由于物体处于匀速运动状态,受到的三个力平衡,所以斜面对物体的作用力(斜面对物体的支持力和摩擦力的合力)与物体的重力平衡,可以得出斜对物体的作用力方向竖直向上.由牛顿第三定律可知,物体对斜面体的作用力是竖直向下的.由于斜面体只受到竖直方向上的力的作用,故没有左右运动的趋势,不受地面的摩擦力.
  2.物体m在斜面上加速下滑
  物体加速下滑时受力与上述图2相似.只不过此情况下,重力沿斜面方向的分力大于斜面体对物体的摩擦力,即:
  由于物体对斜面的摩擦力的水平分力小于物体对斜面的压力FN的水平分力,所以斜体有向右运动的趋势,则此时,地面对斜面体有向左的摩擦力.
  此问题也可以这样理解:由于物体在斜面体上处于加速运动状态,所以斜面对物体的作用力(斜面对物体的支持力和摩擦力的合力)与物体重力的合力方向沿斜面体向下,可以得出斜面对物体的作用力方向偏向竖直方向的左上方.由牛顿第三定律可知,物體对斜面体的作用力方向偏向竖直方向的右下方.由于斜面体受到偏向竖直方向右下方的力的作用,故斜面体有向右运动的趋势,所以斜面受到地面的摩擦力方向向左.
  3.物体m在斜面上减速下滑
  物体在斜面上减速下滑时的情况与加速下滑的不同点是:μ>tanθ
  此时,由上述的分析易知:地面对斜面体有向右的摩擦力.同样:此问题也可以这样理解:由于物体在斜面体上处于减速运动状态,所以斜面对物体的作用力(斜面对物体的支持力和摩擦力的合力)与物体重力的合力方向沿斜面体向上,可以得出斜面对物体的作用力方向偏向竖直方向的右上方.由牛顿第三定律可知,物体对斜面体的作用力方向偏向竖直方向的左下方.由于斜面体受到偏向竖直方向左下方的力的作用,故斜面体有向左运动的趋势,所以斜面受到地面的摩擦力方向向右.
  三、应用实例
  例1 如图4所示,粗糙的斜面体M放在粗糙的水平面上,物块m恰好能在斜面体上沿斜面匀速下滑,斜面体静止不动,斜面体受地面的摩擦力大小为F1;若用平行力于斜面向下的力F推动物块,使物块加速下滑,斜面体仍静止不动,斜面体受地面的摩擦力大小为F2;若用平行于斜面向上的力F推动物块,使物块减速下滑,斜面体仍静止不动,斜面体受地面的摩擦力大小为F3.则( ).
  图4
  A.F2>F3>F1 B. F3>F2>F1
  C.F2>F1>F3D.F1=F2=F3
  分析 本题中所涉及到的问题属于μ=tanθ的类型,三个图中物体对斜面体的压力没变,均为mgcosθ,所以摩擦力的大小和方向均没有变化,由于三种情况下,物体沿斜面方向受力不同,运动的性质有区别,图4的1中仍匀速下滑,图4的2中加速下滑,图4的3中减速下滑,由牛顿第三定律可知,斜面受到的力的情况,三个图完全相同,且此情况下地面对斜面体都没有摩擦力作用.故F1=F2=F3=0.
  答案选D.
  拓展 与此问题类似的情况也经常出现,前提还是一个粗糙的斜面体放在粗糙的水平面上,物块恰好能在斜面体上沿斜面匀速下滑,斜面体静止不动.在物块下滑过程中,不论在物体上施加一个任意方向的力,只要物块仍能沿斜面图5下滑,地面对斜面体的摩擦力均为0.如图5所示,外力的作用改变了物块的运动状态,同时也改变了物块对斜面体的压力,同时斜面体对物块的摩擦力也成比例地发生变化,斜面体受到的物块的压力与摩擦力的水平分力大小仍然相同,方向相反.所以地面对斜面体没有摩擦力作用.
  小结:本类题的题设条件已明确,物块在没有受到外力作用时,在斜面上匀速下滑,说明μ=tanθ,只要物块在斜面上仍然下滑,则斜面体受到物块的压力和摩擦力成比例变化,但斜面体受地面的摩擦力为0,此时斜面体受到的支持力也会发生变化.外力的作用会改变物块的运动状况.
  图6例2 如图6所示,斜面体A静止放置在水平地面上.质量为m的滑块B在外力F1和F2的共同作用下沿斜面体表面向下运动,当F1方向水平向右,F2方向沿斜面体的表面向下时斜面体受到地面的摩擦力方向向左,在作用力改变的过程中斜面体A始终保持静止.则下列说法中正确的是( ).
  A.若同时撤去F1和F2,滑块B的加速度方向一定沿斜面向下
  B.若只撤去F1,在滑块B仍向下运动的过程中,A所受地面摩擦力的方向可能向右
  C.若只撤去F2,在滑块B仍向下运动的过程中,A所受地面摩擦力的方向可能向右
  D.若只撤去F2,在滑块B仍向下运动的过程中,A所受地面摩擦力不变
  分析 不论滑块B受力如何.滑块B对A的作用力只是压力的摩擦力,由于斜面体A受到地面的摩擦力方向向左,基于上述的“二、2.中物块加速下滑”中分析,易知μ  本题的核心是由题设条件“斜面体受到地面的摩擦力方向向左”得出μ  例3 如图7所示,一个物块在斜面处于静止状态,现给物块提供 一 个 初 速 度,物块沿斜面下滑时,斜面体受到水平地面的静摩擦力为f1 ;现给物块施加一垂 直 斜 面 向 下 的 力 F,此时物块沿斜面下滑时,斜面体受到水平地面的静摩擦力为f2;则下列说法正确的是( ).
  A.f1 和f2 可能相同
  B.f1和f2的方向一定相同
  C.f1的大小可能小于f2的大小
  D.f1和f2的方向可能相反
  分析 由题设可知,物块静止于斜面体上,则物块与斜面体间的动摩擦因数μ≥tanθ,当物块有一初速度沿斜面下滑时,有两种可能,一是μ=tanθ时,物块沿斜面匀速下滑,另一可能是μ>tanθ时,物块沿斜面减速速下滑,由本文中的分类分析易知,匀速下滑时,两种情况下,地面对斜面体均无摩擦力,则此时f1和f2均为0,则A正确;当物块沿斜面减速下滑(μ>tanθ)时,地面对斜面体的静摩擦力方向均向右,则B正确,此情况下,物块对斜面体压力的水平分力小于物块对斜面体摩擦力的水平分力,F作用后,物块对斜面体的压力变大,这两个水平分力的差值变大了,此时f2大于f1,则C正确.不论F如何,物块下滑要么是匀速下滑,要么是减速下滑,f1和f2的方向不可能相反,则D错.
  小结:本题中能抓住物块静止在斜面上时,μ≥tanθ是解题的关键.此外匀速和减速下滑的两种种可能性的讨论要注意逻辑关系,问题就迎刃而解了.
  综上所述,对斜面和物块组合体相关问题的分析,结合题设的相关条件,找出tanθ和 μ的关系.以tanθ和 μ的关系为抓手,对问题进行分析是一条有效途径.
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