基于“1+2+3”原理剖析滑動摩擦力及其應用

陳松

[摘? ?要]物體運動時所受到的滑動摩擦力沒有辦法直接測量，但通過“當物體在拉力的作用下沿著水平方向做勻速直線運動時，拉力等于滑動摩擦力”這一轉換法可以間接測量出來。這種測量方法簡單，但是操作有點困難。為了讓學生更好地理解與掌握此測量方法，將其歸納總結為“1+2+3”原理，即1個原理、2種方法、3條優點。

[關鍵詞]“1+2+3”原理;滑動摩擦力;應用

[中圖分類號]? ?G633.7? ? ? ?[文獻標識碼]? ?A? ? ? ? [文章編號]? ?1674-6058（2020）24-0063-02

物體運動時所受到的滑動摩擦力沒有辦法直接測量，但通過“當物體在拉力的作用下沿著水平方向做勻速直線運動時，拉力等于滑動摩擦力”這一轉換法可以間接測量出來。為了讓學生更好地理解與掌握此方法，筆者將其總結并歸納為“1+2+3”原理，即1個原理、2種方法、3條優點，與大家共勉。

一、“1+2+3”原理

（一）1個原理

“1個原理”指的是測量滑動摩擦力的原理。即當物體在拉力作用下沿水平方向做勻速直線運動時，物體所受拉力等于物體所受滑動摩擦力的大小。

（二）2種方法

【方法1】如圖1所示，將木塊置于水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉動木塊，使其做勻速直線運動，此時彈簧測力計的示數等于物體所受滑動摩擦力的大小。此測量滑動摩擦力的實驗方法是根據其測量原理設計和操作的，圖1所示是典型的測量滑動摩擦力的實驗裝置，其原理直觀，易于觀察和理解。

【方法2】如圖2所示，將木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計拉著木塊，彈簧測力計的另一端系在墻上，我們只需拉動長木板（無論勻速直線運動還是變速直線運動），就可以讀出木塊所受滑動摩擦力的大小。按照這種方法操作簡便，便于讀數，誤差較小。

（三）3條優點

1.圖1所示的實驗操作需要保持木塊沿水平方向做勻速直線運動，實際操作比較困難，且彈簧測力計的示數不穩定，給讀數帶來了困難;但圖2所示的實驗操作中并不需要保持木塊勻速直線拉動，讀數沒有困難。

2.圖2所示的實驗操作中，用力F拉木板時，無論木板是勻速運動還是變速運動，木塊與木板之間的摩擦力都是不變的，此時木塊處于靜止狀態，木塊所受的摩擦力大小等于拉力大小，由此可通過彈簧測力計直接讀出摩擦力的大小，彈簧測力計不動，讀數時比較容易和準確。

3.圖2裝置與圖1裝置相比，將“物體運動”轉變為“木板運動”，而滑動摩擦力卻不變，克服了思維定式的影響。

二、利用“1+2+3”原理探究滑動摩擦力的實驗

“探究滑動摩擦力大小”實驗一直是各地中考考查的重點之一，需要在理解滑動摩擦力大小只與壓力和接觸面粗糙程度有關的基礎上，進一步關注滑動摩擦力大小與接觸面積、運動速度等其他因素的關系。在教學中，教師可結合典型試題，基于“1+2+3”原理引導學生探究滑動摩擦力的實驗。

【例1】（2019年Y市一模）某學校在研究“滑動摩擦力影響因素”實驗，探究方法如圖3。

1.如圖3甲，用非常小的力拉木塊沒動，摩擦力______拉力。

2.如圖3乙，用彈簧測力計拉疊放在一起的相同木塊A和B做勻速直線運動，比較乙與甲可得滑動摩擦力大小與有關。

3.如何通過圖3甲驗證“增大接觸面粗糙程度可以增大滑動摩擦力”？

4.如圖3丙是將相同木塊A和B固定在一起做勻速直線運動，比較圖3丙與圖3乙可以發現拉力示數相等，說明滑動摩擦力大小與? ? ? ? ? ? ?無關。

5.綜合應用：在拔河比賽中，為了能夠取勝，可以通過? ? ? ? ? ? 接觸面的粗糙程度和? ? ? ? ? ? 來增大人與地面的摩擦力，使班級易贏得比賽。

科學決策：組隊時，在班上選體重? ? ? ? 的同學參加比賽，同時在比賽時腳穿圖4中的? ? ? ? ? ? （選填“甲”“乙”或“丙”）種鞋。

【解析】起初，用非常小的力拉木塊沒動，木塊處于平衡狀態，此時木塊受到靜摩擦力作用，且摩擦力等于拉力;用彈簧測力計拉疊放在一起的相同木塊A和B做勻速直線運動，比較圖3乙與圖3甲可以得出滑動摩擦力的大小與壓力大小有關;要驗證“增大接觸面粗糙程度可以增大滑動摩擦力”的結論，可以在圖3甲的水平面上鋪一層棉布，用彈簧測力計再次拉動木塊A做勻速直線運動;根據題意，比較圖3丙和圖3乙，滑動摩擦力相同，說明滑動摩擦力大小與受力面積大小無關;為了在拔河比賽中取勝，可以增大接觸面的粗糙程度和增大壓力來增大人與地面的摩擦力，即在班上選體重大的同學參加比賽，同時在比賽時腳穿圖4中的甲鞋，這樣就容易使班級贏得比賽。

【答案】1.等于。2.壓力大小。3.參考上述解析。4.受力面積。5.增大;增大壓力;大;甲。

三、應用“1+2+3”原理解決問題

1.應用受力分析法解決摩擦力大小的問題

應用受力分析法解決摩擦力大小的問題關鍵是對研究對象正確進行受力分析，找出研究對象受到幾個力及其受力方向，再利用二力平衡知識、相互作用力知識等對摩擦力大小及方向進行求解。

【例2】（2019年Z市一模）如圖5，甲、乙兩個木塊疊放在光滑的水平面上，用一根細繩將甲木塊固定在左邊墻上，用力拉動乙木塊使其勻速運動，所用力F = 15N，分析甲、乙受到的摩擦力正確的是（? ? ）。

A.F甲=0，F乙= 15N，方向向右

B.F甲= F乙=15N，方向向右

C.F甲 = F乙= 15N，方向向左

D.F甲 = F乙 = 15N，甲方向向右，乙方向向左

【解析】根據題意，當用力F = 15N勻速拉木塊乙時，如圖6所示，根據二力平衡知識可知：木塊甲對木塊乙的摩擦力方向向左，F甲對乙 = 15N;再根據相互作用力知識可知：此時木塊乙也會對木塊甲產生向右的摩擦力，F乙對甲 = 15N;同時對木塊甲在水平方向的受力進行分析，由二力平衡知識可得：此時細繩對其拉力F1 = 15N。

【答案】 D。

2.應用圖像法解決摩擦力大小的問題

應用圖像法解決摩擦力大小的問題關鍵是分析題目所提供的圖像中每一階段的運動特點及規律，找出圖像中的相同點和不同點，利用二力平衡知識、摩擦力知識等對問題進行分析求解。

【例3】（2019年S市一模）如圖7甲所示，G = 5 N的物體A在粗糙程度相同的水平地面上，用水平力F拉A，如圖乙是F - t圖像與v - t圖像，分析圖像可得出物體A的摩擦力是? ? ? ? ? ?N，3 ～ 6 s內A受的合力是? ? ? ? ? ?N，9～12 s做? ? ? ? ? ?運動，撤去拉力繼續運動的原因是? ? ? ? ? ?。

【解析】根據題意，由圖乙中v - t圖像可知：物體A在0 ～ 12s內先加速，后勻速，最后減速至0，根據“滑動摩擦力大小只與壓力大小和接觸面粗糙程度有關，與物體運動速度大小無關”，因此物體受到的摩擦力大小始終等于其勻速運動時的摩擦力大小，即物體A在6 ～ 9s時做勻速運動，此時拉力F = 6N，根據二力平衡知識得：物體在整個運動階段受到的摩擦力大小f = 6N;物體A在3 ～ 6 s內拉力F = 9N，摩擦力f = 6N，所以此時合力是F合= F - f? = 9N - 6N = 3N;物體A在9 ～ 12 s內拉力F = 0，摩擦力f = 6N，由于具有慣性，物體會繼續做勻減速直線運動。

【答案】6;3;勻減速直線;慣性。

總之，任何探究實驗都需要學生親自參與其中，成為實驗的主人，比如測量滑動摩擦力的實驗對學生動手、動腦能力的培養具有較好的幫助作用，不僅僅讓學生獲得探究實驗的方法，更重要的是提升學生的核心素養，將學生終身學習的目標落到實處，從而為學生的終身發展奠定良好的基礎。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 陳愛武. 初中物理摩擦力的例題解析[J].數理化學習（初中版），2016（2）：52+54.

[2]? 印曉明，陳坤.中美高中主流物理教材在“光學”部分內容呈現的差異與啟示：基于培養學生科學領域內“核心素養”的視角[J].物理教師，2016（2）：74-77.

（責任編輯? ? 黃諾依）