基于“1+2+3”原理剖析滑動摩擦力及其應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)為“1+2+3”原理，即1個原理、2種方法、3條優(yōu)點。

[關(guān)鍵詞]“1+2+3”原理;滑動摩擦力;應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)并歸納為“1+2+3”原理，即1個原理、2種方法、3條優(yōu)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(shù)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(jù)其測量原理設(shè)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(shù)，誤差較小。

（三）3條優(yōu)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(shù)不穩(wěn)定，給讀數(shù)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(shù)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(tài)，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(shù)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(zhuǎn)變?yōu)椤澳景暹\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(guān)的基礎(chǔ)上，進一步關(guān)注滑動摩擦力大小與接觸面積、運動速度等其他因素的關(guān)系。在教學中，教師可結(jié)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(guān)。

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(fā)現(xiàn)拉力示數(shù)相等，說明滑動摩擦力大小與? ? ? ? ? ? ?無關(guān)。

5.綜合應(yīng)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(tài)，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(guān);要驗證“增大接觸面粗糙程度可以增大滑動摩擦力”的結(jié)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(jù)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(guān);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(yīng)用“1+2+3”原理解決問題

1.應(yīng)用受力分析法解決摩擦力大小的問題

應(yīng)用受力分析法解決摩擦力大小的問題關(guān)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(xiàn)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(jù)題意，當用力F = 15N勻速拉木塊乙時，如圖6所示，根據(jù)二力平衡知識可知：木塊甲對木塊乙的摩擦力方向向左，F(xiàn)甲對乙 = 15N;再根據(jù)相互作用力知識可知：此時木塊乙也會對木塊甲產(chǎn)生向右的摩擦力，F(xiàn)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(yīng)用圖像法解決摩擦力大小的問題

應(yīng)用圖像法解決摩擦力大小的問題關(guān)鍵是分析題目所提供的圖像中每一階段的運動特點及規(guī)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(nèi)A受的合力是? ? ? ? ? ?N，9～12 s做? ? ? ? ? ?運動，撤去拉力繼續(xù)運動的原因是? ? ? ? ? ?。

【解析】根據(jù)題意，由圖乙中v - t圖像可知：物體A在0 ～ 12s內(nèi)先加速，后勻速，最后減速至0，根據(jù)“滑動摩擦力大小只與壓力大小和接觸面粗糙程度有關(guān)，與物體運動速度大小無關(guān)”，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(jù)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(nèi)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(nèi)拉力F = 0，摩擦力f = 6N，由于具有慣性，物體會繼續(xù)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(yǎng)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(yǎng)，將學生終身學習的目標落到實處，從而為學生的終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 陳愛武. 初中物理摩擦力的例題解析[J].數(shù)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(nèi)容呈現(xiàn)的差異與啟示：基于培養(yǎng)學生科學領(lǐng)域內(nèi)“核心素養(yǎng)”的視角[J].物理教師，2016（2）：74-77.

（責任編輯? ? 黃諾依）