浅析摩擦力突变

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  摘要:摩擦力是历年各类考试中的常考内容,摩擦力的突变的考题常有出现,且类型多,特别是静摩擦力随物体的相对运动趋势发生变化,其大小与方向均有可能变化的情况对应于物理过程的转变及临界状态,在分析中很容易出现错误,对摩擦力“突变”问题进行归类分析,有助于培养学生思维的条理性、严谨性和深刻性,有助于提高学生分析问题、解决问题的能力,所以在学习时应引起高度重视.
  关键词:摩擦力;突变
  一、静摩擦力发生突变
  1.静摩擦力突变为滑动摩擦力
  物体间静摩擦力存在最大值,即最大静摩擦力.当外力大于最大静摩擦力时,静摩擦力突变为滑动摩擦力.
  图1
  例1 如图1所示,在水平桌面上放一木块,用从零开始逐渐增大的水平拉力F拉木块直到沿桌面运动,在此过程中,木块所受到的摩擦力f的大小随拉力F的大小变化的图像是图2中的().
  图2
  解析:开始时,物体静止不动,受静摩擦力的作用,且满足f静=F;当F达到最大静摩擦力之后,物体开始滑动,物体运动状态发生了变化,摩擦力突变为滑动摩擦力f滑=μ·N=μ·mg保持不变.则木块所受到的摩擦力f的大小随拉力F的大小变化的图像正确的是B.故选B.
  2.静摩擦力方向或大小发生突变
  静摩擦力是被动力,其存在及大小、方向取决于物体间的相对运动的趋势,当外界条件(如外力)发生变化时,静摩擦力的大小、方向可能发生改变
  例2 一木块放在水平桌面上,在水平方向上共受到三个力,即F1、F2和摩擦力的作用,木块处于静止状态,如图3所示,
  图3
  其中F1=8N,F2=2N,若撤去F1,则木块受到的摩擦力为().
  A.10N,方向向左
  B.6N,方向向右
  C.2N,方向向右
  D.零
  解析:当物体受F1、F2及摩擦力的作用而处于平衡状态时,由平衡条件知物体所受的摩擦的作用大小为6N,因此最大静摩擦力fmax≥6N.当撤去力F1后,F2=2N  二、滑动摩擦力发生突变
  1.滑动摩擦力突变为静摩擦力
  滑动摩擦力存在于发生相对运动的物体之间,因此两物体的速度达到相同时,滑动摩擦力要发生突变(摩擦力为零或为静摩擦力).这种情况通常发生在在传送带模型和滑块与木板模型中.
  例3 平板车B静止在光滑水平面上,在其左端另有物体A以水平初速度v0向车的右端滑行,如图4所示.
  图4
  由于A、B间存在摩擦,因而A在B上滑行后,A开始做减速运动,B做加速运动(设B车足够长),则B车速度达到最大时,应出现在().
  A.A对地停止时
  B.A的速度减为一半时
  C.A在B上相对停止滑动时
  D.B车开始做匀减速直线运动时
  解析:开始时A做减速运动,B做加速运动.B车足够长,当A、B速度相等时,滑动摩擦力要突变为静摩擦力.此时A、B保持相对静止,一起做匀速运动,此时B车速度达到最大.答案为C.
  2.滑动摩擦力方向或大小发生突变
  此类多见于物体在倾斜传送带上由上往下运动,物体与传送带的速度相同时,且重力的下滑分力大于物体间的最大静摩擦力时,滑动摩擦力方向发生突变.
  例4 传送带以恒定的速率v=10m/s运动,已知它与水平面成θ=37°,
  图5
  如图5所示,PQ=16m,将一个小物体无初速度地放在P点,小物体与传送带间的动摩擦因数μ=0.5,问:当皮带逆时针转动时,小物体运动到Q点的时间为多少?
  解析:当小物体刚放在传送带上时,小物体所受的滑动摩擦力方向沿斜面向下,加速度a1=mgsinθ+μmgcosθm=10m/s2,滑行时间t1=va1=1s,滑行距离s1=12a1t21=5m.
  当小物体与传送带的速度相同时,由于重力的作用小物体继续加速,摩擦力的方向突变为沿斜面向上,加速度a2=mgsinθ-μmgcosθm=2m/s2.
  因为s2=s-s1=11m,又s2=vt2+12a2t22,解得t2=1s.
  所以,小物体从P点运动到Q点的时间t=t1+t2=2s.
  作者单位:四川省南充市仪陇县永乐中学
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