破解摩擦力方向之謎

池曉歡

(深圳市龍崗區(qū)實(shí)驗(yàn)學(xué)校,廣東 深圳 518172)

“摩擦力”是整個(gè)初中物理教學(xué)中的重難點(diǎn),其方向的判斷更能考驗(yàn)學(xué)生的思維辨析能力,但由于學(xué)生對(duì)摩擦力定義不能充分理解和頭腦中對(duì)相應(yīng)物理情景的匱乏,導(dǎo)致對(duì)摩擦力方向的判斷常常出現(xiàn)錯(cuò)誤,本文將通過實(shí)例分析幫助學(xué)生破解摩擦力的方向之謎.

判斷摩擦力的方向通常有多種方法,下面將分三種情況進(jìn)行闡述.

1 靜止的物體

對(duì)于靜止的物體,摩擦力的方向與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反.

例1如圖1所示,物體在斜面上處于靜止?fàn)顟B(tài),則物體所受的摩擦力方向如何?

圖1 圖2

解析斜面上的物體靜止不動(dòng),但有相對(duì)斜面下滑的趨勢(shì),因此受到的靜摩擦力方向沿斜面向上.

例2如圖2所示,用一個(gè)水平向右的拉力拉水平桌面上的物體,但沒有拉動(dòng),判斷物體所受摩擦力的方向.

解析物體處于靜止?fàn)顟B(tài),即在水平方向受到的拉力和摩擦力二力平衡,根據(jù)二力平衡的條件可知此時(shí)物體受到的摩擦力方向與拉力F相反.

例3如圖3所示,手握住一瓶水靜止不動(dòng)時(shí),則手所受到的摩擦力方向如何?

圖3

解析本題利用平衡條件法與相互作用力相結(jié)合來分析.水瓶靜止不動(dòng),則瓶子處于平衡狀態(tài),受力平衡,在豎直方向上的摩擦力與重力是一對(duì)平衡力;手對(duì)瓶子施加豎直向上的摩擦力,同時(shí)瓶子也對(duì)手施加摩擦力,二者是一對(duì)相互作用力,故手受到的摩擦力方向豎直向下.

2 運(yùn)動(dòng)的物體

對(duì)于運(yùn)動(dòng)的物體,摩擦力的方向總是與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反,注意與物體實(shí)際的運(yùn)動(dòng)方向無關(guān).

表2

例4如圖4中的某同學(xué)沿桿勻速向上爬升時(shí),該同學(xué)受到的摩擦力方向如何?如果該同學(xué)沿桿勻速向下爬,摩擦力的方向發(fā)生改變嗎?

解析該同學(xué)在豎直方向上無論在勻速向上還是勻速向下爬,均處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),其重力與摩擦力均是一對(duì)平衡力,所以摩擦力的方向均與重力方向相反,豎直向上.

例5如圖5中踢出去的足球繼續(xù)在水平草地上向右滾動(dòng),最后慢慢停下.足球在離開腳后向右滾動(dòng)的過程中,(忽略空氣阻力)水平方向受力如何?

解析足球離開腳后不再受到腳施加的力,慢慢停下來而不是做勻速直線運(yùn)動(dòng),是因?yàn)樵谒椒较蚴艿降孛娼o它施加的摩擦力,改變了足球原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),故摩擦力方向與足球相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的方向相反,摩擦力的方向水平向左.

例6學(xué)習(xí)摩擦力一課時(shí),老師給同學(xué)們演示了如圖6所示的小實(shí)驗(yàn):將牙刷刷毛朝下放在一個(gè)長(zhǎng)木板上,向左慢慢拉動(dòng)牙刷,可以觀察到牙刷刷毛向右發(fā)生彎曲;若保持牙刷靜止不動(dòng),向右水平緩慢拉動(dòng)長(zhǎng)木板,發(fā)現(xiàn)牙刷刷毛仍然是向右發(fā)生彎曲.

圖6

(1)上述實(shí)驗(yàn)操作無論是牙刷向左運(yùn)動(dòng)還是長(zhǎng)木板向右運(yùn)動(dòng),牙刷刷毛都是向右發(fā)生彎曲,說明牙刷所受摩擦力的方向都是____.

(2)向右水平緩慢拉動(dòng)長(zhǎng)木板時(shí),以長(zhǎng)木板作為參照物,則牙刷相對(duì)長(zhǎng)木板向左運(yùn)動(dòng),故滑動(dòng)摩擦力的方向是與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向____.

解析(1)不管是向左拉牙刷還是向右水平緩慢拉動(dòng)長(zhǎng)木板,在牙刷和長(zhǎng)木板之間存在一個(gè)阻礙牙刷相對(duì)長(zhǎng)木板運(yùn)動(dòng)的力,這個(gè)力是滑動(dòng)摩擦力,它作用效果使刷毛均向右彎曲,說明牙刷所受滑動(dòng)摩擦力的方向均為水平向右;(2)向右水平緩慢拉動(dòng)長(zhǎng)木板時(shí),以長(zhǎng)木板作為參照物,則牙刷相對(duì)長(zhǎng)木板向左運(yùn)動(dòng),故滑動(dòng)摩擦力的方向與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反.

例7如圖7所示水平桌面上疊放著A、B兩物體,小明向右拉動(dòng)物體B,讓A、B一起做勻速直線運(yùn)動(dòng).則A、B之間和B與桌面間的摩擦力如何?

圖7

解析A、B兩物體一起做勻速直線運(yùn)動(dòng),它們之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),即A、B兩個(gè)物體相對(duì)靜止,而且沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),由定義法可知它們之間不存在摩擦力.

B物體相對(duì)于桌面向右做勻速直線運(yùn)動(dòng),處于平衡狀態(tài),在水平方向受到的拉力F與摩擦力是一對(duì)平衡力,因此B物體所受桌面施加的摩擦力方向與B物體相對(duì)桌面的運(yùn)動(dòng)方向相反,即桌面對(duì)B的摩擦力向左,而B物體對(duì)桌面的摩擦力與桌面對(duì)B物體的摩擦力是一對(duì)相互作用力,故B物體對(duì)桌面的摩擦力向右.

例8在一個(gè)表面粗糙程度相同的物體A上放置物體B,物體B由水平繩子與彈簧測(cè)力計(jì)相連(不計(jì)繩與彈簧測(cè)力計(jì)的重力),彈簧測(cè)力計(jì)一端固定在墻面,如圖8所示.現(xiàn)用一水平拉力F使物體A沿水平地面勻速直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)物體B靜止時(shí),物體A對(duì)物體B的摩擦力方向如何判斷?

圖8

解析物體A、B之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),且物體B相對(duì)于物體A向左做勻速直線運(yùn)動(dòng),利用定義法可判斷物體A對(duì)物體B的滑動(dòng)摩擦力與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向相反,所以物體B受到水平向右的摩擦力.

另外,也可用平衡條件法分析,物體B靜止不動(dòng)處于平衡狀態(tài),在水平方向受力平衡,即物體B受到物體A的摩擦力與水平繩向左的拉力平衡,所以物體B受到水平向右的摩擦力.

3 可能沒有摩擦力的情況

有些時(shí)候?qū)W生無法判斷摩擦力是否存在,這時(shí)我們可以采用假設(shè)法來判斷,假設(shè)摩擦力存在,看是否能找到與之平衡的力,若不能找到,說明假設(shè)的該摩擦力不存在;或假設(shè)物體間接觸面完全光滑,看物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否因此發(fā)生改變,若發(fā)生改變說明存在摩擦力.

例9如圖9,一女孩正站在水平臺(tái)階上隨扶梯勻速向上移動(dòng),此過程中,女孩是否受到摩擦力的作用,若受摩擦力,方向如何?

圖9

解析在勻速上升過程中,女孩受力平衡,在豎直方向上受重力和支持力,二力平衡,在水平方向假設(shè)女孩受摩擦力,但是找不到與之平衡的力,所以假設(shè)不成立,即此女孩不受摩擦力;也可以假設(shè)女孩與臺(tái)階的接觸面完全光滑,發(fā)現(xiàn)女孩與臺(tái)階沒有相對(duì)滑動(dòng),說明女孩沒有受到摩擦力的作用.

例10在進(jìn)入高鐵站時(shí)所有行李箱都要通過安全檢查.如圖10,是一由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的傳送帶,行李箱放到傳送帶上后會(huì)隨傳送帶一起向右勻速運(yùn)動(dòng).

(1)行李箱____傳送帶的摩擦力;(選填“受”或“不受”)

(2)傳送帶上P點(diǎn)所受摩擦力的方向____.(注意P點(diǎn)的標(biāo)記)注意左輪是從動(dòng)輪而不是主動(dòng)輪,把P點(diǎn)直接放到主動(dòng)輪上(電動(dòng)機(jī)輪)最右端,方便學(xué)生分析,解析已按照P點(diǎn)在最右側(cè)進(jìn)行分析

解析(1)當(dāng)行李箱隨傳送帶一起向右做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí),行李箱相對(duì)于傳送帶處于靜止?fàn)顟B(tài),假設(shè)行李箱受到傳送帶摩擦力的作用,則找不到與之平衡的力,故行李箱不受傳送帶的摩擦力;(2)傳送帶和轉(zhuǎn)輪之間相對(duì)靜止,但傳送帶有與右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),假設(shè)沒有摩擦力,傳送帶將出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,所以傳送帶受到靜摩擦力的作用,傳送帶上P點(diǎn)受到摩擦力的方向豎直向下.

綜上10個(gè)實(shí)例可發(fā)現(xiàn),通過定義法、平衡條件法、相互作用力法、力的作用效果分析法、假設(shè)法等可破解摩擦力方向之謎,對(duì)于同一問題,我們也可靈活采用多種方法進(jìn)行分析判斷.