例析“善變的摩擦力”

孫成

摘要：結(jié)合近幾年高考對(duì)摩擦力變化問(wèn)題的考查，筆者結(jié)合平時(shí)教學(xué)實(shí)際以傳送帶模型、疊加體模型、多過(guò)程模型為例，從摩擦力的定義和性質(zhì)等方面入手，總結(jié)出幾類(lèi)常見(jiàn)的摩擦力變化原因及其特點(diǎn).并通過(guò)例題進(jìn)一步的分析，讓善變的摩擦力不再那么玄妙.

關(guān)鍵詞：摩擦力；變化的類(lèi)型；傳送帶；疊加體模型

摩擦力是歷年高考的熱點(diǎn)也是必考點(diǎn)，筆者結(jié)合2013江蘇高考和上海高考關(guān)于摩擦力的考查情況，發(fā)現(xiàn)考查的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是摩擦力的變化.筆者結(jié)合平時(shí)的教學(xué)淺談摩擦力的變化原因和類(lèi)型.一、因運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而改變

高中物理主要研究靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力.這兩種摩擦力也是借助于研究對(duì)象相對(duì)于接觸的參考系運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同而定義的.因此，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變會(huì)直接影響摩擦力的變化.

1.運(yùn)動(dòng)變化導(dǎo)致摩擦力消失

圖1例1 如圖1所示，一平直的傳送帶以速度v=2 m/s勻速運(yùn)動(dòng)，傳送帶把A處的工件運(yùn)送到B處，A、B相距L=10 m.從A處把工件無(wú)初速地放到傳送帶上，問(wèn)用多長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)B端.

點(diǎn)評(píng)：詳解略.本題物塊先加速再勻速，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變使得滑動(dòng)摩擦力由有到無(wú).

2.運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致摩擦力方向的變化

例2如圖2所示，傳送帶與水平面夾角為37°，并以v =10 m/s運(yùn)行，在傳送帶的A端輕輕放一個(gè)小物體，物體與傳送帶之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ = 0.5，AB長(zhǎng)16 m，求：傳送帶逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，物體從A到B所用的時(shí)間.

圖2點(diǎn)評(píng)：如圖2傳送帶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一開(kāi)始木塊向下加速時(shí)滑動(dòng)摩擦力向下，當(dāng)物塊與傳送帶速度相等時(shí)，由于物塊仍然有向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，后來(lái)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力方向向下.

3.運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致摩擦力的性質(zhì)發(fā)生變化

例3如圖3所示，傳送帶與地面成夾角θ=37°，以10 m/s的速度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在傳送帶下端輕輕地放一個(gè)質(zhì)量m=0.5 kg的物體，它與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.9，已知傳送帶從A→B的長(zhǎng)度L=50 m，則物體從A到B需要的時(shí)間為多少？

圖3點(diǎn)評(píng)：本題物塊先向上勻加速，滑動(dòng)摩擦力f1向上且大于下滑力，當(dāng)物塊速度和傳送帶速度相等時(shí)，由于最大靜摩擦力大于下滑力，滑動(dòng)摩擦力突變?yōu)殪o摩擦力f2，其性質(zhì)發(fā)生了改變，方向不變大小等于下滑力，勻速上升.

二、因正壓力的變化而變化

1.疊加物體模型中正壓力變化導(dǎo)致摩擦力的變化

2013年江蘇高考和上海高考都考到了此類(lèi)模型.此類(lèi)模型通常結(jié)合運(yùn)動(dòng)的多過(guò)程考查.

圖4例4（2013年上海高考）如圖4，質(zhì)量為M，長(zhǎng)為L(zhǎng)，高為h的矩形滑塊置于水平地面上，滑塊與地面間動(dòng)摩擦因數(shù)為μ；滑塊上表面光滑，其右端放置一個(gè)質(zhì)量為m的小球.用水平外力擊打滑塊左端，使其在極短時(shí)間內(nèi)獲得向右的速度v0，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后小球落地.求小球落地時(shí)距滑塊左端的水平距離.

點(diǎn)評(píng)：詳解略.本題M、m之間不存在摩擦力，故m不動(dòng).M與地面存在滑動(dòng)摩擦力，當(dāng)M向右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致m脫離時(shí)，由于M與地面的正壓力變小導(dǎo)致M的滑動(dòng)摩擦力大小發(fā)生變化.

2.豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)中正壓力的變化導(dǎo)致摩擦力的變化

小球在粗糙的圓形軌道內(nèi)側(cè)做豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng).由于小球的正壓力大小不斷的改變，整個(gè)過(guò)程滑動(dòng)摩擦力不僅大小不斷改變，方向也不斷的變化.

三、因接觸面粗糙的不同而變化

接觸面的粗糙程度不同，動(dòng)摩擦因數(shù)也不同，也會(huì)導(dǎo)致摩擦力大小的變化.

圖5例5如圖5所示，平直木板AB傾斜放置，板上的P點(diǎn)距A端較近，小物塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)由A到B逐漸減小，先讓物塊從A由靜止開(kāi)始滑到B.然后，將A著地，抬高B，使木板的傾角與前一過(guò)程相同，再讓物塊從B由靜止開(kāi)始滑到A.上述兩過(guò)程相比較，下列說(shuō)法中一定正確的有（）

（A） 物塊經(jīng)過(guò)P點(diǎn)的動(dòng)能，前一過(guò)程較小

（B） 物塊從頂端滑到P點(diǎn)的過(guò)程中因摩擦產(chǎn)生的熱量，前一過(guò)程較少

（C） 物塊滑到底端的速度，前一過(guò)程較大

（D） 物塊從頂端滑到底端的時(shí)間，前一過(guò)程較長(zhǎng)

點(diǎn)評(píng)：詳解略.本題由于A到B動(dòng)摩擦因素逐漸減小，正壓力不變，所以摩擦力也在不斷的減小.因此可以通過(guò)取平均值去計(jì)算.

綜上所述：摩擦力的變化的類(lèi)型多，且是歷年高考的關(guān)注焦點(diǎn)，通常結(jié)合運(yùn)動(dòng)的多過(guò)程，疊加物體模型和傳送帶等問(wèn)題相結(jié)合.面對(duì)此類(lèi)摩擦力的變化，必須細(xì)心分析屬于哪種類(lèi)型的變化，并總結(jié)變化的規(guī)律，才能從題目的陷進(jìn)中走出來(lái).