探究高中物理摩擦力中的突變問題

祝普剛

【摘要】當(dāng)前在高中物理關(guān)于摩擦力的學(xué)習(xí)中，最主要的內(nèi)容就是滑動摩擦力和靜摩擦力，在高中物理教學(xué)過程中發(fā)展滑動摩擦力和靜摩擦力會隨著物理情境的變化而發(fā)生突變，所以在解決相關(guān)問題時就要求高中學(xué)生具有較強(qiáng)的動態(tài)分析能力，這對學(xué)生的能力要求較高。因此，大部分的高中學(xué)生在遇到這一問題時都會感到困惑，本文針對高中物理摩擦力中的突變問題進(jìn)行深入分析和研究，供讀者參考。

【關(guān)鍵詞】高中物理 ? 摩擦力 ? 突變問題

【中圖分類號】G633.7【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1992-7711（2020）28-079-01

在近幾年的高中學(xué)習(xí)當(dāng)中摩擦力是一項(xiàng)極其重要的內(nèi)容，幾乎每年都會成為高考題目，同時也經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)于摩擦力的突變問題，而且題目的形式和種類多樣，經(jīng)常會出現(xiàn)關(guān)于該相作用力的大小和方向的突變內(nèi)容。一般情況下，突變指的就是某一物體從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N形態(tài)，在短時間內(nèi)變化的一個過程。如果物體受力或者運(yùn)動的情況下，那么這一作用力就會出現(xiàn)突變問題，導(dǎo)致物體的本身的運(yùn)動情況和受力情況受到影響。受力突變問題一般都含有較大的特殊性和隱含性，導(dǎo)致高中學(xué)生在做相關(guān)習(xí)題時經(jīng)常會出現(xiàn)錯誤，所以高中物理教師應(yīng)該根據(jù)這一問題加大教學(xué)力度和練習(xí)力度。

一、“靜——靜”突變

一個物體如果在摩擦力和一些其他的外力下處于靜止?fàn)顟B(tài)，如果這一物體受到其他力的合理發(fā)生改變時，物體仍然處于靜止?fàn)顟B(tài)，那么就說明這一物體受到的靜摩擦力的方向和大小發(fā)生了突變。案例如下：

在水平面上，有一個質(zhì)量為10kg的小鐵塊，將小鐵塊拴在一水平被拉伸彈簧的一端，彈簧的另一端固定在小車上，當(dāng)它們都處于靜止時，彈簧對物塊的彈力大小為3N，若小車以a=0.5m/s2的速度水平向右勻加速運(yùn)動時（ ? ? ?）

A.小鐵塊相對于小車仍然靜止;

B.小鐵塊受到的摩擦力方向不變;

C.小鐵塊受到的摩擦力變小;

D.小鐵塊受到的彈簧的拉力將增大。

解析：小鐵塊與小車都處于靜止?fàn)顟B(tài)時，小鐵塊所受到的合力為0，彈簧對小鐵塊向右的彈力大小為3N，小鐵塊受到小車對它靜摩擦力方向向左，為3N.所以小車對小鐵塊的最大靜摩擦力至少3N.當(dāng)小車以0.5m/s2的加速度水平向右勻加速運(yùn)動時，小鐵塊所受向右合力應(yīng)為F=ma=5N.若小鐵塊相對于小車靜止，則彈簧對小鐵塊向右的彈力大小仍然為3N，小車對小鐵塊靜摩擦力大小為2N、方向水平向右，而2N顯然小于小車對小鐵塊的最大靜摩擦力至少3N，這說明小鐵塊相對于小車仍然靜止，沒有發(fā)生滑動。小車水平向右勻加速運(yùn)動時，靜摩擦力發(fā)生了突變：方向由原來的水平向左變?yōu)樗较蛴?大小由3N變?yōu)?N.本題選項(xiàng)A、C正確。

二、“靜-動”突變

一個物體如果在摩擦力和一些其他的外力下處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)一個力發(fā)生變化使物體隨之產(chǎn)生運(yùn)動，那么說明摩擦力發(fā)生突變問題，靜摩擦力突變?yōu)榛瑒幽Σ亮?。案例如下?/p>

小木塊A和小木塊B疊放在光滑的水平面上，木塊A和木塊B的質(zhì)量分別為2kg和6kg，為了能夠使木塊A和木塊B相對靜止在水平面上做加速運(yùn)動，作用在小木塊B上的水平拉力F不能超過4N.如果將此水平拉力作用在木塊A上，則（ ? ? ）

A.木塊A和木塊B仍相對靜止一起加速運(yùn)動;

B.木塊A和木塊B將發(fā)生相對運(yùn)動;

C.木塊A做勻速運(yùn)動，木塊B做加速運(yùn)動;

D.木塊A和木塊B一起做勻速運(yùn)動。

解析：設(shè)木塊A和木塊B之間的靜摩擦力為Ffmax，如果水平拉力F作用在木塊B上時，F(xiàn)=（mA+mB）a，F(xiàn)fmax=mAa，所以Ffmax=1N，如果水平拉力作用于木塊A，那么木塊A和木塊B不會發(fā)生相對運(yùn)動，一起運(yùn)動的最大加速度和拉力的最大值分別為amax=1/6m/s2，F(xiàn)max=4/3N，因?yàn)镕max>F，木塊A和木塊B會發(fā)生相對運(yùn)動，木塊A和木塊B都做加速度運(yùn)動，所以選擇B選項(xiàng)。

三、“動——靜”突變

如果兩個物體之間由相對滑動變?yōu)橄鄬o止，那么這兩個物體之間的摩擦力，通常都是由滑動摩擦力變?yōu)殪o摩擦力。案例如下：

質(zhì)量為8kg的小車B放在光滑的水平面上，在小車右端加一個水平向右的恒力F=8N。當(dāng)小車向右運(yùn)動速度達(dá)到15m/s時，在小車的右側(cè)放置一個質(zhì)量為2kg的小木塊A，木塊和小車之間的摩擦因數(shù)為0.2，求經(jīng)過1.5s后，小車位移的大小。

解析：aA=2m/s2，aB=0.5m/s2，設(shè)A、B速度為t1，則t1=1s

四、“動——動”突變

放兩個物體之間發(fā)生相對滑動時，物體的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變，可能物體之間的滑動摩擦力發(fā)生突變問題。案例如下：

傳送帶長度為3.25m，與水平方向成30度角，傳送帶的兩輪逆時針轉(zhuǎn)動，使傳送帶始終以2m/s的速率運(yùn)動。將一物體輕放在傳送帶的上端A，物體與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)√3/5，g=10m/s2，求物體從傳送帶的上端A運(yùn)動到下端B所用的時間。

解析：開始物體相對傳送帶向上運(yùn)動，物體受到的滑動摩擦力沿傳送帶向下，當(dāng)物體加速到v時，傳送帶勻速運(yùn)動，物體要加速運(yùn)動，物體相對傳送帶向下運(yùn)動，受到的滑動摩擦力沿傳送帶向上。剛放上物體時，根據(jù)牛頓第二定律，所以a1=8m/s2物體加速到v所需時間為0.25s，通過的距離為0.25m，物體加速到v后，根據(jù)牛頓第二定律，所以a2=2m/s2，又s2=3m，所以t2=1s故物體從A運(yùn)動到B所需的時間為1.25s.

結(jié)束語

總體而言，本文針對摩擦力“靜——靜”突變、“靜——動”突變、“動——靜”突變、“動——動”突變等問題進(jìn)行舉例分析，將高中物理摩擦力與物理運(yùn)動和狀態(tài)變化之間隱含著力的突變問題全部揭示出來，通過這種方法讓高中學(xué)生對物理摩擦力方面問題有了更加深入的理解和掌握，從而提高高中學(xué)生的物理學(xué)習(xí)成績，提高高中物理課堂教學(xué)的質(zhì)量和效率。

【參考文獻(xiàn)】

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