在物體的運動狀態發生變化的過程中,常常達到某一個特定狀態時,有關的數學量將發生突變,此狀態即為臨界狀態,相應的數學量的值為臨界值。當物體受力或運動發生變化時,磨擦力常發生突變。磨擦力的突變,又會造成物體的受力情況和運動性質的突變,其突變點(時刻或位置)往往具有很深的隱蔽性,稍不留神容易出錯。解決磨擦力發生突變時的臨界問題的關鍵在于剖析突變情況,找出磨擦力突變的點。
一、靜磨擦力發生突變
靜磨擦力是被動力,其存在及大小、方向取決于物體間的相對運動的趨勢,但是靜磨擦力存在最大值。靜磨擦力為零的狀態,是方向變化的臨界狀態;靜磨擦力抵達最大值,是物體正好保持相對靜止的臨界狀態。
1、靜磨擦力突變為滑動磨擦力
例1、如圖所示,物體A和B疊置于光滑的水平面上,A、B的質量分別為
,
,為了保持A與B相對靜止在水平面上做加速運動,作用在B上的水平拉力F不能超過4N。若果將此水平拉力作用在物體A上,則()
A.A、B仍相對靜止一起加速運動;
B.A、B將發生相對運動;
C.A做勻速運動,B做加速運動;
D.A、B一起做勻速運動。
解析:設A和B之間最大靜磨擦力為
,當水平拉力F作用在B上時,則
,
所以
當水平拉力作用在A上時,A、B不發生相對運動,一起運動的最大加速度和拉力的最大值分別為
因為
,A、B將發生相對運動,A、B都做加速運動,故選項B正確。
2、靜磨擦力方向或大小發生突變
例2、如圖所示,在水平面上,質量為10kg的物塊A拴在一水平被拉伸彈簧的一端,彈簧的另一端固定在貨車上,當它們都處于靜止時,彈簧對物塊的彈力大小為3N,若貨車以
的加速度水平往右勻加速運動時()
A.物塊A相對于貨車一直靜止;
B.物塊A遭到的磨擦力方向不變;
C.物塊A遭到的磨擦力變小;
D.物塊A遭到的彈簧的拉力將減小。
解析:物塊A與貨車都處于靜止狀態時,物塊A所受合力為零,彈簧對物塊往右的彈力大小為3N,則物塊A遭到貨車對它靜磨擦力大小為3N,方向水平向左。所以貨車對物塊A的最大靜磨擦力起碼3N。當貨車以0.5m/s2的加速度水平往右勻加速運動時,物塊A所受往右合力應為
。若物塊A相對于貨車靜止,則彈簧對物塊A往右的彈力大小依然為3N,貨車對物塊A靜磨擦力大小為2N、方向水平往右,而2N其實大于貨車對物塊A的最大靜磨擦力起碼3N,這說明物塊A相對于貨車一直靜止,沒有發生滑動。貨車水平往右勻加速運動時,靜磨擦力發生了突變:方向由原來的水平向左變為水平往右;大小由3N變為2N。本題選項A、C正確。
二、滑動磨擦力發生突變
滑動磨擦力存在于發生相對運動的物體之間,因而兩物體的速率達到相同時,滑動磨擦力要發生突變(磨擦力為零或為靜磨擦力)
1、滑動磨擦力突變為靜磨擦力
例3、如圖所示,質量為M=8kg的貨車B置于光滑的水平面上,在貨車右端加一個水平往右的恒力
。當貨車往右運動的速率達到
時,在貨車右端輕輕地放上一個大小不計、質量
的小物塊A,物塊與貨車間的動磨擦質數為
,貨車足夠長,
。求從A放上貨車經過
后位移的大小。
解析:分別以A、B為研究對象,則
,
設A、B速率相同時所經過的時間為t1,則
,
此時A的速率大小為
位移為
隨后假定A、B以相同的加速度a一起運動,則
,所以A、B不發生相對運動,它們之間的磨擦力由滑動磨擦力突變為靜磨擦力。
再經過
,A位移為
所以從A放上貨車經過1.5s后位移的大小為
2、滑動磨擦力方向或大小發生突變
例4、如圖所示,傳送帶寬度
,與水平方向成
角,傳送帶的三輪逆秒針轉動,使傳送帶仍然以
的速度運動。將一物體輕置于傳送帶的下端A,物體與傳送帶之間的動磨擦質數
,
,求物體從傳送帶的下端A運動到左端B所用的時間。
解析:開始物體相對傳送帶向下運動,物體遭到的滑動磨擦力沿傳送帶向上,當物體加速到v時,因為
,傳送帶勻速運動,物體要加速運動高中物理滑動摩擦力,物體相對傳送帶向上運動高中物理滑動摩擦力,遭到的滑動磨擦力沿傳送帶向下。
剛放上物體時,依據牛頓第二定理,有
,所以
物體加速到v所需時間為
,通過的距離為
物體加速到v后,依據牛頓第二定理,有
,所以
又
,
所以
故物體從A運動到B所需的時間為