关于摩擦力做功的一个推论及应用

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  一、摩擦力做功的推论
  
  如图一所示,斜面长L,倾角为α,一个质量为m的物体沿斜面由顶端滑向底端,动摩擦因数为μ,求:物体下滑过程中克服摩擦力所做的功。
  分析及解:由功的定义得 物体克服摩擦力做功L=μmg Lcosα,而Lcosα是物体位移在水平方向上的投影,令Lcosα=X,则Wf=μmgx=μG X..
  
   图一
  
  由此可知,物体在重力、弹力、摩擦力,作用下沿斜面运动时,克服摩擦力所做的功,等于动摩擦因数、重力的大小和水平位移的大小三者的乘积。
  即 Wf=μmgx=μGX.
  根据推导过程易知:若物体在摩擦力方向或重力方向上还有其它力作用,公式仍成立,只是重力应为等效重力。
  
  二、推论的应用
  
  例1:如图二所示,在竖直平面内的A、B两点有三条轨道,一质量为m的物体从顶点A由静止开始沿不同轨道下滑,其动摩擦因数相同均为μ,转角处撞击影响不计,试比较物体由三条不同轨道到达底端的速度大小。
  
  图二
  
  分析:三条轨道速度变化过程虽然是不同的,但物体下滑过程中,只受重力、弹力、摩擦力,且其轨迹水平投影长度相同。
  摩擦力做功 Wf=μmg.BC=μmgx=μGX
  设轨迹高为h,物体到达B时速率为v,由动能定理
  有mgh-Wf=mv2
  mgh-μGX=mv2
  所以,物体沿三条轨道下滑到B点的速率相同。
  例2:滑雪者在图三的A点从静止出发,沿山坡自然下滑,中间不回返,无停顿,滑行中摩擦力因数为常数μ。设他滑到B点时恰好速率为零。此过程的水平位移为S。求:A B两点的高度差为h(由于下滑时速率较小,因各处弯曲而造成的对雪面的附加压力可忽略)。
  
   图三
  
  分析:根据题意物体下滑过程中,受重力、弹力、摩擦力(不考虑做曲线运动的附加压力)。
  由摩擦力做功的推论可知,物体由A到B行进过程中,克服摩擦力做功
  Wf=μmgS
  根据动能定理,mgΔh=μmgS
  所以 Δh=μS
  (作者单位:610051成都市第四十九中学)
  
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