摩擦力做功点滴谈

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  功是力对空间的积累,力与在力的方向上发生的位移是做功的两个不可缺少的因素,摩擦力做功应是摩擦力对空间的积累,摩擦力做功与其它“场力”如重力、电场力做功有相似之处,但因摩擦力为耗散力而决定了它做功与其它“场力”做功又有不同之处,下面就摩擦力做功作以分析总结。
  
  一、摩擦力做功与路径有关吗
   设在具体问题中,摩擦力为恒力,摩擦力做功用Wf表示,则有wf=fscosa,表达式中s应分两种情况讨论,若在摩擦力作用下,摩擦力的作用效果只改变物体的运动状态或使物体发生形变,而没有内能产生,此时s应理解为摩擦力的作用点所发生的位移,a为摩擦力与位移的夹角;若在摩擦力作用下,相互摩擦的物体系有内能产生,即产生了热量,则s应为在摩擦力作用下质点所通过的路程。
  例1 如图,将直尺夹在书中与书相对静止,设书质量为m,将直尺从位置A匀速向右上方移动到位置B,求此过程摩擦力对书做功多少?若先将直尺水平移动,再竖直向上匀速移动到第一次的末位置B,此过程中摩擦力做功又为多少?
  分析与解:如图,第一次Wf=fscosa=mgscoscL;第二次在水平移动过程中,摩擦力对书不做功,在向上阶段直尺对书的摩擦力做正功,且Wf=fscosa=mgscosa,与第一过程做功等大,在此,摩擦力做功与路径无关。
  思考:某人用一水平力拉着一质量为M的木箱沿半径为R的水平圆周轨道走动了一圈,已知木箱与地面间的滑动摩擦因数为?,问该过程中地面对木箱的摩擦力做功为多少?
  分析与解:在移动木箱的过程中,木箱与地面的相对摩擦产生了内能,此时,做功公式中s指木箱在地面上通过的路程,即s=2πR,所以,Wf=-fs=-2MguπR。在此,摩擦力做功与路径有关。
  
  二、摩擦力并非总做负功
   摩擦力可为动力,也可为阻力,摩擦力方向与物体的位移方向之间夹角可在0-π之间任意变化,所以摩擦力可做正功、可做负功、也可不做功,判断摩擦力做功的正负性,关键是分析摩擦力方向跟物体位移方向的关系.
  例2 在例1中,直尺对书的摩擦力何时做正功、何时做负功,何时不做功?
  分析与解:在书移动过程中,直尺对书的摩擦力竖直向上,书可在空间沿任意方向移动,当书末位置在初位置之上时,摩擦力对书做正功,当书末位置在初位置之下时,摩擦力对书做负功,当书的末位置与初位置在同一高度时,摩擦力对书不做功。
  
  三、摩擦力做功与系统内能的增量的关系
  
  摩擦力为耗散力,以摩擦力做功为桥梁将系统其它形式的能量转化为系统的内能,设产生的内能用Q热表示,则Q热=fs相对,式中s为相互摩擦的两个物体之间的相对位移。
  例3 在水平光滑地面上一质量为M的长木板静止不动,如图,一质量为m的子弹以某一水平方向初速滑上木板,木块与木板之间摩擦因数为?,在木块与木板的相互作用下,木板在地面上滑行L时,木块在木板上相对滑动了s,设木块可当作质点,求在此过程中摩擦力对木板、木块做功分别是多少?整个过程中系统产生的热量有是多少?
  分析与解:木板所受摩擦力向右,设其大小为f,则Wf=fL①;木板对木块的反作用力大小为£/,有w/=£/(L+s)=一f(L+s)②;整个过程中产生的热量为Q热=w1+wf/=-f,式中s为木板与木块之间的相对位移。
  在上例中容易产生的错解为在计算木板对木块的摩擦力做功时,误以为w/=f/S=-IS,错误之处在于s为木块对木板的位移,而在求解木块对木板做功时所用位移L为木板对地的位移,即同一物理情景没有选取相同的参照物。
  
  四、当摩擦力为变力时,摩擦力做功的计算
  
  当摩擦力为变力时,当然不能运用恒力做功公式去计算,此时应从功能关系角度人手分析,功是能量转化的量度,即通过能量转化的大小来侧面反映出摩擦力做功的大小。
  例4.如图,一质量为m的小球从粗糙弯轨道的A点由静止下滑,当达到B点时动能为EK,已知A、B两点的竖直高度差R,则由A到B小球克服摩擦力做功为多少?
  分析与解:选小球为研究对象,根据题意,从A到B,随小球速度的变化,小球对轨道的压力在时刻变化,故下滑过程中小球所受的摩擦力也在时刻变化,设摩擦力对小球做功用Wf表示,根据动能定理有mgR+W=Ex得:Wf=Ex—mgR故由A到B物体克服摩擦力做功为-Wf=mgR-EK。
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