摩擦力問題的分類處理

摘要：針對初中物理教學實踐中學生分析”摩擦力”問題時出現(xiàn)的常見困惑，從“摩擦力產(chǎn)生條件”、“摩擦力方向判斷”以及“摩擦力大小判斷”三個角度提出了相應(yīng)的分類處理的思路和方法，幫助學生切實提高分析解決實際問題的能力.

關(guān)鍵詞：滑動摩擦力；靜摩擦力；分類處理

作者簡介：趙會明，男，江蘇邳州，大學本科學歷，中學高級教師，1991年參加工作，目前就職于深圳市南山區(qū)第二外國語學校.長期擔任畢業(yè)班物理教學，2009年5月，被評定為深圳市南山區(qū)中學科學學科中青年骨干教師.摩擦力是初中物理力學部分的一個重要概念.從每年的教學實踐來看，由于摩擦力在生活實際中的表現(xiàn)和應(yīng)用實例非常普遍，所以學生初學摩擦力時總體感覺是熟悉的.但在分析解決具體的摩擦力問題時，卻頻頻出現(xiàn)各種問題.概括起來，出要表現(xiàn)在：

1、對摩擦力產(chǎn)生的條件掌握的不全面、不深刻，不能準確判斷在給定的情境下是否存在摩擦力；

2、對摩擦力的方向特點缺乏深刻理解，誤以為摩擦力方向總是與物體運動的方向相反.實際上，摩擦力方向并不總是與物體運動的方向相反，而總是與相對運動方向或者相對運動趨勢的方向相反.

3、對摩擦力大小的判斷和求解缺乏清晰的思路和方法，極易將決定滑動摩擦力大小的兩個因素套用到靜摩擦力的大小判斷上，從而出現(xiàn)錯解.

造成學生出現(xiàn)上述問題的根源，在于新人教版教材內(nèi)容沒有清晰地將滑動摩擦力和靜摩擦力區(qū)別開來加以闡述，而是統(tǒng)一用摩擦力加以概述，如果教師在授課過程中，也是籠統(tǒng)處理，那么就必然導致學生在面對各種情境下的摩擦力問題時無法準確應(yīng)對.所以我們應(yīng)該運用分類處理的方式來學習和認識摩擦力.

1關(guān)于摩擦力產(chǎn)生的條件：

滑動摩擦力和靜摩擦力的產(chǎn)生條件非常類似，都必須同時滿足三個條件.唯一不同的地方就是產(chǎn)生滑動摩擦力時，需要物體間發(fā)生相對運動；而產(chǎn)生靜摩擦力時，物體間僅存在相對運動趨勢，卻沒有相對運動.

這三個條件分別是：

A.兩個物體接觸，且相互有擠壓（即發(fā)生彈性形變）

B.兩物體的接觸面是粗糙的

C.物體間存在相對運動或相對運動趨勢

上述三個條件中，最易出現(xiàn)問題的是第三個條件中針對靜摩擦力的“相對運動趨勢”的判斷.解決策略有兩個：

策略1：假設(shè)法

即：假設(shè)此時研究對象和與之接觸的物體間無摩擦（也就是光滑的），再看該研究對象相對于接觸物體的表面是否出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，若沒有，則說明原來就沒有相對運動趨勢；若存在，則說明原來就存在相對運動趨勢.

例題1：如圖1所示，一根均勻的木棒斜靠在光滑的豎直墻面上，另一端擱置在水平地面上靜止，請分析木棒受到哪些力的作用？

分析：木棒在豎直方向上受重力G和地面施加的支持力N1作用；在水平方向上受到墻壁施加的向右的支持力N2作用.由于墻壁是光滑的，所以墻壁和木棒接觸處沒有靜摩擦力.假如地面也是光滑的，則木棒必定會向右下滑而傾倒，因此此時木棒下端存在著沿地面向右滑動的趨勢，也就是說，此時木棒下端要受到一個水平向左的靜摩擦力f作用才能保持靜止.故木棒總共受到四個力作用.

策略2：類比法

即：此方法非常適合于“在水平面上運動的兩個上下疊放的相對靜止的物體間是否存在摩擦力”的問題判斷.我們知道，在一輛行駛的公交車內(nèi)，站立的乘客為了安全往往需要用手握住安裝在車箱頂?shù)臋M桿狀扶手.這里會有三種體驗：

當車輛啟動或加速時，由于慣性，乘客身體要向后傾斜，此時握住橫桿的手掌將出現(xiàn)明顯的沿橫桿向后滑動的趨勢，所以手掌一定受到一個阻礙這種相對運動趨勢的向前的靜摩擦力；

同理，當車輛制動或減速時，由于慣性，乘客身體要向前傾斜，此時握住橫桿的手掌將出現(xiàn)明顯的沿橫桿向前滑動的趨勢，所以此時手掌一定受到一個阻礙這種相對運動趨勢的向后的靜摩擦力；

當車輛勻速直線運動時，由于乘客受平衡力作用，所以此時握住橫桿的手掌既不會出現(xiàn)沿橫桿向前滑動的趨勢，也不會出現(xiàn)沿橫桿向后滑動的趨勢，也就是說，此時手掌和橫桿之間沒有靜摩擦力；

與上述三種情形類比，物體A和B疊放在一起保持相對靜止，在拉力F作用下沿水平面向右運動（如圖2所示）.

當A和B向右加速運動時，物體A將出現(xiàn)沿物體B向左滑動的趨勢，從而物體A會受到一個向右的靜摩擦力作用（此時物體B受到的是滑動摩擦力，方向向左）；

當A和B向右減速運動時，物體A將出現(xiàn)沿物體B向右滑動的趨勢，從而物體A會受到一個向左的靜摩擦力作用（此時物體B受到的還是滑動摩擦力，方向向左）；

當A和B向右勻速直線運動時，物體A不會出現(xiàn)沿物體B向任何方向滑動的趨勢，從而物體A和物體B 之間沒有靜摩擦力作用（但此時物體B受到的依然是地面的滑動摩擦力，方向向左）；

例題2：如圖3所示，水平傳送帶上的物體正在隨傳送帶一起向右運動，物體速度逐漸變大，分析物體受到的力有 （）

A.重力、傳送帶的支持力

B.重力、對傳送帶的壓力

C.重力、傳送帶的支持力、向右的摩擦力

D.重力、傳送帶的支持力、對傳送帶的壓力

分析：由于水平傳送帶上的物體正在向右運動且速度逐漸變大，運用類比法可知，物體具有向左相對運動的趨勢，故水平傳送帶上的物體受向右靜摩擦力作用；此外物體在豎直方向上，受到的重力和傳送帶的支持力是一對平衡力；即物體受重力、支持力和向右的摩擦力作用，故選C.

2關(guān)于摩擦力方向的判斷：

A.對滑動摩擦力而言，由于題目中的研究對象通常都是相對于地面或者相對地面上靜止的物體發(fā)生相對運動，所以研究對象的相對運動方向，也就是我們習慣上感知到的運動方向.因此只要明確了物體的運動方向，其反方向就是滑動摩擦力的方向；

B.對靜摩擦力而言，由于在題目的描述中我們感知到的物體（即研究對象）運動方向往往是研究對象整體相對于地面或相對于地面上靜止的物體而言的，但研究對象和與之相接觸且產(chǎn)生靜摩擦力的物體間并沒有發(fā)生相對運動，而是保持相對靜止.這樣以來，研究對象相對于接觸物體的相對運動趨勢的方向和研究對象整體相對于地面的運動方向有可能相反，也有可能相同，因此絕不能認為靜摩擦力方向與物體相對于地面的運動方向一定相反.對此必須明確：靜摩擦力方向只是與研究對象相對于接觸物體的運動趨勢的方向相反.

例題3：人向東步行前進，人受到的摩擦力方向向.

分析：本題中，我們感知到的運動方向是人正在相對于地面向東步行前進，但人雖然向東前進，摩擦力方向卻并不是向西的.由于人行走憑借的是地面對腳底部的靜摩擦力，此時腳底部相對于地面實際上有一個向后，也就是向西的滑動的趨勢，所以人受到的靜摩擦力方向與這個相對運動趨勢方向相反，是向前的，即向東.可以看出，人走路時，受到的靜摩擦力方向與人行走的方向相同，但與腳底部相對地面的運動趨勢方向相反.

例題4：雜技運動員勻速往上爬竹竿和順著竹竿勻速下滑這兩種運動中，關(guān)于運動員所受摩擦力的方向，下列說法正確的是（）

A.都向上

B.都向下

C.爬竿時向下，下滑時向上

D.爬竿時向上，下滑時向下

分析：雜技運動員勻速往上爬竹竿時，我們感知到的信息是身體正在向上運動，但認真思考后，不難發(fā)現(xiàn)運動員身體的上升，憑借的是手掌和竹竿之間的摩擦力，此時手掌緊緊地抓在竹竿上，并沒有相對竹竿滑動，但手掌卻存在沿竹竿下滑的趨勢，所以爬竹竿時，手掌處受到的是靜摩擦力，不是滑動摩擦力，且方向向上；而順著竹竿勻速下滑時，手掌和人體相對竹竿發(fā)生了滑動，所以受到的是滑動摩擦力，且方向與滑動方向相反，也是向上的.

3關(guān)于摩擦力大小的判斷和求解：

和摩擦力方向的判定一樣，對摩擦力大小的判斷和求解，也必須區(qū)別對待，分類處理，否則極易出現(xiàn)失誤.

A.對滑動摩擦力而言，一般有兩個思路：

（1）二力平衡法：如果物體在水平支持面上做勻速直線運動，則滑動摩擦力f=水平拉力或推力F，只要明確F的大小，即可知道f的大??；

（2）決定因素法：如果物體在運動過程中，對支持面的壓力以及接觸面的粗糙程度都沒有變化，則物體所受到的滑動摩擦力就保持不變.此時物體不管是勻速運動，還是變速運動都不影響滑動摩擦力的大小.

B.對靜摩擦力而言，由于物體還處于靜止狀態(tài)，所以就一個思路，即二力平衡法.需要說明的是，由于壓力大小和接觸面粗糙程度只會影響滑動摩擦力和最大靜摩擦力的大小，而對一般情況下的靜摩擦力沒有影響，所以解題時切忌受到壓力因素和接觸面粗糙程度因素的干擾！

例題5：如圖4所示，放在水平地面上的物體，受到方向不變的水平拉力F的作用，其F-t和V-t圖象分別如圖5、圖6所示，由圖象可知，當t=1s時，物體受到的摩擦力是N，當t=3s時，物體受到的摩擦力是N.

分析：物體在水平方向受到水平拉力F和摩擦力f兩個力的作用，但在不同的時間階段，摩擦力的性質(zhì)有所不同.由圖6可知，在0—2秒內(nèi)，物體處于靜止狀態(tài)，所以在0—2秒內(nèi)物體受靜摩擦力作用；在2—6秒內(nèi)，不管物體做加速運動（2—4秒內(nèi)）還是勻速運動（4—6秒內(nèi)），物體都受滑動摩擦力作用.再由圖5可知，在0--2秒內(nèi)，物體受到3N水平拉力而保持靜止，根據(jù)二力平衡，此階段物體受到的靜摩擦力大小等于3N；在4—6秒內(nèi)，物體受到5N水平拉力而保持勻速直線運動，根據(jù)二力平衡，此階段物體受到的滑動摩擦力大小也就等于5N；最后在2—4秒內(nèi)，物體受到7N水平拉力但做的是加速運動，此階段不能再運用二力平衡法求解，根據(jù)“決定因素法”，此階段和4—6秒階段相比，由于壓力大小和接觸面粗糙程度均未變化，所以此階段和4—6秒階段，物體受到的滑動摩擦力相等，都等于5N.故：答案分別是3N和5N.

例題6：如圖所示，用水平力F將一物體壓在豎直墻壁上靜止不動，設(shè)物體受墻的壓力為N，摩擦力為f，當F增大時，下列說法正確的是（）

A.N增大，f增大

B.N增大，f不變

C.N增大，f減小

D.條件不足，無法確定

分析：本題中，容易得出墻面所受壓力N將隨著F的增大而增大，關(guān)鍵在于摩擦力大小的判斷.由題意可知，整個過程中物體受到的是靜摩擦力，其大小與壓力N的大小變化無關(guān)，根據(jù)二力平衡可知，物體受到的靜摩擦力始終等于物體的重力，答案選B.本題易錯之處就在于部分學生將兩類摩擦力混為一談，將決定滑動摩擦力大小的兩個因素套用到靜摩擦力的大小判斷上，從而出現(xiàn)錯解.

參考文獻：

[1]王波.中學物理中靜摩擦力方向判斷及大小的計算.教育教學論壇，2010，（18）.