【摘要】学生在解题判断摩擦方向时,总是一头雾水,一头雾水。 现在考虑从受力和运动状态两个方面来解决这个问题。
【关键词】判断; 摩擦力的方向; 技能; 目的; 状态
中学数学教材中关于摩擦力方向的描述是:
(1)静摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反。
(2)滑动摩擦的方向与物体相对运动的方向相反。
中学生在解题判断摩擦方向时,总是一头雾水,一头雾水。 现在考虑从受力和运动状态两个方面来解决这个问题。 我们知道物体的运动状态是由它的力控制的,知道物体的运动状态就可以确定它的力。 将其应用于摩擦力的测定非常方便。 下面举两个例子来说明这一点。
例1:如图1所示,两个物体A和B叠加在一个水平面上,现在对里面的物体A施加一个水平拉力F,使它们向右匀速运动。 求 B 对 A 的摩擦力和地面对 B 的摩擦力。
图1
图 2
图 3
【分析与结算】
(1)A匀速运动,分析A上的力,水平方向有两个,一个是外力F,一个是B对A的静摩擦力f,如图2所示。根据A的运动状态,匀速运动,根据牛顿第二定理,其合力必为零,故F=f,静摩擦力的方向与F相反,向左。
(2)分析B的受力,水平方向有两个力,一个是A到B的静摩擦力f',一个是地面到A的静摩擦力f"",如图在图3中,同样根据A的运动状态,匀速运动,根据牛顿第二定理,其合力必为零,所以摩擦力的方向示意图,f'=f""静摩擦力的方向与f相反', 向左转。
上面对A、B的压力分析,就是根据他们的状态来判断他们的压力,简单明了。
例2:如图4所示,质量M=10kg的螺孔ABC静置于粗糙的水平面上,动摩擦素数?=0.02。 在螺孔夹角θ=30°的斜面上摩擦力的方向示意图,质量m=1.0kg的块体从静止状态开始沿斜面下落,滑动距离s=1.4m时,其速度v=1.4m /s,在此过程中螺孔不动,求地面对螺孔的摩擦力大小和方向(中性加速度g=10m/s2?)
[分析与解决] 解决方法是用全局的方法
虽然m和M的加速度不同,但考虑到M的加速度为零,用整体法更容易求解。
图 4
图 5
对于m,由匀速运动定律v2=v02+2as,v0=0得到铁块滑下斜坡的加速度
a=v2/2s=0.7m/s2,加速度及其分解如图5所示。
把m和M作为一个整体来考虑,分析它们的力。 垂直方向的力是重力和地面的支撑力; 水平方向的力只是M与地面的摩擦力。 受力分析如图6所示
图 6
使用牛顿第二定理将 m 和 M 置于水平方向:
Ff=max=macosθ代入数据得到Ff=0.61N,方向同ax,向左。
整体的方法其实算起来简单,但是老师讲解思路的时候中学生很难理解,中学生自己去想就更难了。
方案二采用隔离法
分别分析m和M的受力情况,f'为f的排斥力。
m的力:有三种力,即重力、支撑力、滑动摩擦力。 方向见右图
图 7
°=ma+f
v2=v02+2as
得到a=v2/2s=0.7m/s2
f=°-ma=4.3N
M的受力情况:五个力分别为重力Mg、支撑力N、压力N'、滑动摩擦力f'、地面与地面之间的静摩擦力f2,f'为f的反斥力,见图 9. 由于方向不确定,图中未显示 f2。
图 8
由于 M 不动,所以水平方向的合力为零。 沿水平方向分解f'和N',两者之差就是静摩擦力的大小。 即f'cos30°-N"sin30°=f2
解法是f2=-6.1N方向向左
从以上例子可以看出,根据物体的状态来分析和判断静摩擦力的方向是非常方便和实用的。