【摘要】學生在解題判斷摩擦方向時,總是一頭霧水,一頭霧水。 現在考慮從受力和運動狀態兩個方面來解決這個問題。
【關鍵詞】判斷; 摩擦力的方向; 技能; 目的; 狀態
中學數學教材中關于摩擦力方向的描述是:
(1)靜摩擦力的方向與物體相對運動的方向相反。
(2)滑動摩擦的方向與物體相對運動的方向相反。
中學生在解題判斷摩擦方向時,總是一頭霧水,一頭霧水。 現在考慮從受力和運動狀態兩個方面來解決這個問題。 我們知道物體的運動狀態是由它的力控制的,知道物體的運動狀態就可以確定它的力。 將其應用于摩擦力的測定非常方便。 下面舉兩個例子來說明這一點。
例1:如圖1所示,兩個物體A和B疊加在一個水平面上,現在對里面的物體A施加一個水平拉力F,使它們向右勻速運動。 求 B 對 A 的摩擦力和地面對 B 的摩擦力。
圖1
圖 2
圖 3
【分析與結算】
(1)A勻速運動,分析A上的力,水平方向有兩個,一個是外力F,一個是B對A的靜摩擦力f,如圖2所示。根據A的運動狀態,勻速運動,根據牛頓第二定理,其合力必為零,故F=f,靜摩擦力的方向與F相反,向左。
(2)分析B的受力,水平方向有兩個力,一個是A到B的靜摩擦力f',一個是地面到A的靜摩擦力f"",如圖在圖3中,同樣根據A的運動狀態,勻速運動,根據牛頓第二定理,其合力必為零,所以摩擦力的方向示意圖,f'=f""靜摩擦力的方向與f相反', 向左轉。
上面對A、B的壓力分析,就是根據他們的狀態來判斷他們的壓力,簡單明了。
例2:如圖4所示,質量M=10kg的螺孔ABC靜置于粗糙的水平面上,動摩擦素數?=0.02。 在螺孔夾角θ=30°的斜面上摩擦力的方向示意圖,質量m=1.0kg的塊體從靜止狀態開始沿斜面下落,滑動距離s=1.4m時,其速度v=1.4m /s,在此過程中螺孔不動,求地面對螺孔的摩擦力大小和方向(中性加速度g=10m/s2?)
[分析與解決] 解決方法是用全局的方法
雖然m和M的加速度不同,但考慮到M的加速度為零,用整體法更容易求解。
圖 4
圖 5
對于m,由勻速運動定律v2=v02+2as,v0=0得到鐵塊滑下斜坡的加速度
a=v2/2s=0.7m/s2,加速度及其分解如圖5所示。
把m和M作為一個整體來考慮,分析它們的力。 垂直方向的力是重力和地面的支撐力; 水平方向的力只是M與地面的摩擦力。 受力分析如圖6所示
圖 6
使用牛頓第二定理將 m 和 M 置于水平方向:
Ff=max=macosθ代入數據得到Ff=0.61N,方向同ax,向左。
整體的方法其實算起來簡單,但是老師講解思路的時候中學生很難理解,中學生自己去想就更難了。
方案二采用隔離法
分別分析m和M的受力情況,f'為f的排斥力。
m的力:有三種力,即重力、支撐力、滑動摩擦力。 方向見右圖
圖 7
°=ma+f
v2=v02+2as
得到a=v2/2s=0.7m/s2
f=°-ma=4.3N
M的受力情況:五個力分別為重力Mg、支撐力N、壓力N'、滑動摩擦力f'、地面與地面之間的靜摩擦力f2,f'為f的反斥力,見圖 9. 由于方向不確定,圖中未顯示 f2。
圖 8
由于 M 不動,所以水平方向的合力為零。 沿水平方向分解f'和N',兩者之差就是靜摩擦力的大小。 即f'cos30°-N"sin30°=f2
解法是f2=-6.1N方向向左
從以上例子可以看出,根據物體的狀態來分析和判斷靜摩擦力的方向是非常方便和實用的。