破解摩擦力方向之謎

池曉歡

(深圳市龍崗區實驗學校,廣東 深圳 518172)

“摩擦力”是整個初中物理教學中的重難點,其方向的判斷更能考驗學生的思維辨析能力,但由于學生對摩擦力定義不能充分理解和頭腦中對相應物理情景的匱乏,導致對摩擦力方向的判斷常常出現錯誤,本文將通過實例分析幫助學生破解摩擦力的方向之謎.

判斷摩擦力的方向通常有多種方法,下面將分三種情況進行闡述.

1 靜止的物體

對于靜止的物體,摩擦力的方向與物體相對運動趨勢的方向相反.

例1如圖1所示,物體在斜面上處于靜止狀態,則物體所受的摩擦力方向如何?

圖1 圖2

解析斜面上的物體靜止不動,但有相對斜面下滑的趨勢,因此受到的靜摩擦力方向沿斜面向上.

例2如圖2所示,用一個水平向右的拉力拉水平桌面上的物體,但沒有拉動,判斷物體所受摩擦力的方向.

解析物體處于靜止狀態,即在水平方向受到的拉力和摩擦力二力平衡,根據二力平衡的條件可知此時物體受到的摩擦力方向與拉力F相反.

例3如圖3所示,手握住一瓶水靜止不動時,則手所受到的摩擦力方向如何?

圖3

解析本題利用平衡條件法與相互作用力相結合來分析.水瓶靜止不動,則瓶子處于平衡狀態,受力平衡,在豎直方向上的摩擦力與重力是一對平衡力;手對瓶子施加豎直向上的摩擦力,同時瓶子也對手施加摩擦力,二者是一對相互作用力,故手受到的摩擦力方向豎直向下.

2 運動的物體

對于運動的物體,摩擦力的方向總是與物體相對運動的方向相反,注意與物體實際的運動方向無關.

表2

例4如圖4中的某同學沿桿勻速向上爬升時,該同學受到的摩擦力方向如何?如果該同學沿桿勻速向下爬,摩擦力的方向發生改變嗎?

解析該同學在豎直方向上無論在勻速向上還是勻速向下爬,均處于勻速直線運動狀態,其重力與摩擦力均是一對平衡力,所以摩擦力的方向均與重力方向相反,豎直向上.

例5如圖5中踢出去的足球繼續在水平草地上向右滾動,最后慢慢停下.足球在離開腳后向右滾動的過程中,(忽略空氣阻力)水平方向受力如何?

解析足球離開腳后不再受到腳施加的力,慢慢停下來而不是做勻速直線運動,是因為在水平方向受到地面給它施加的摩擦力,改變了足球原來的運動狀態,故摩擦力方向與足球相對地面運動的方向相反,摩擦力的方向水平向左.

例6學習摩擦力一課時,老師給同學們演示了如圖6所示的小實驗:將牙刷刷毛朝下放在一個長木板上,向左慢慢拉動牙刷,可以觀察到牙刷刷毛向右發生彎曲;若保持牙刷靜止不動,向右水平緩慢拉動長木板,發現牙刷刷毛仍然是向右發生彎曲.

圖6

(1)上述實驗操作無論是牙刷向左運動還是長木板向右運動,牙刷刷毛都是向右發生彎曲,說明牙刷所受摩擦力的方向都是____.

(2)向右水平緩慢拉動長木板時,以長木板作為參照物,則牙刷相對長木板向左運動,故滑動摩擦力的方向是與物體相對運動的方向____.

解析(1)不管是向左拉牙刷還是向右水平緩慢拉動長木板,在牙刷和長木板之間存在一個阻礙牙刷相對長木板運動的力,這個力是滑動摩擦力,它作用效果使刷毛均向右彎曲,說明牙刷所受滑動摩擦力的方向均為水平向右;(2)向右水平緩慢拉動長木板時,以長木板作為參照物,則牙刷相對長木板向左運動,故滑動摩擦力的方向與物體相對運動的方向相反.

例7如圖7所示水平桌面上疊放著A、B兩物體,小明向右拉動物體B,讓A、B一起做勻速直線運動.則A、B之間和B與桌面間的摩擦力如何?

圖7

解析A、B兩物體一起做勻速直線運動,它們之間不存在相對運動,即A、B兩個物體相對靜止,而且沒有相對運動的趨勢,由定義法可知它們之間不存在摩擦力.

B物體相對于桌面向右做勻速直線運動,處于平衡狀態,在水平方向受到的拉力F與摩擦力是一對平衡力,因此B物體所受桌面施加的摩擦力方向與B物體相對桌面的運動方向相反,即桌面對B的摩擦力向左,而B物體對桌面的摩擦力與桌面對B物體的摩擦力是一對相互作用力,故B物體對桌面的摩擦力向右.

例8在一個表面粗糙程度相同的物體A上放置物體B,物體B由水平繩子與彈簧測力計相連(不計繩與彈簧測力計的重力),彈簧測力計一端固定在墻面,如圖8所示.現用一水平拉力F使物體A沿水平地面勻速直線運動,當物體B靜止時,物體A對物體B的摩擦力方向如何判斷?

圖8

解析物體A、B之間發生相對滑動,且物體B相對于物體A向左做勻速直線運動,利用定義法可判斷物體A對物體B的滑動摩擦力與物體相對運動的方向相反,所以物體B受到水平向右的摩擦力.

另外,也可用平衡條件法分析,物體B靜止不動處于平衡狀態,在水平方向受力平衡,即物體B受到物體A的摩擦力與水平繩向左的拉力平衡,所以物體B受到水平向右的摩擦力.

3 可能沒有摩擦力的情況

有些時候學生無法判斷摩擦力是否存在,這時我們可以采用假設法來判斷,假設摩擦力存在,看是否能找到與之平衡的力,若不能找到,說明假設的該摩擦力不存在;或假設物體間接觸面完全光滑,看物體的運動狀態是否因此發生改變,若發生改變說明存在摩擦力.

例9如圖9,一女孩正站在水平臺階上隨扶梯勻速向上移動,此過程中,女孩是否受到摩擦力的作用,若受摩擦力,方向如何?

圖9

解析在勻速上升過程中,女孩受力平衡,在豎直方向上受重力和支持力,二力平衡,在水平方向假設女孩受摩擦力,但是找不到與之平衡的力,所以假設不成立,即此女孩不受摩擦力;也可以假設女孩與臺階的接觸面完全光滑,發現女孩與臺階沒有相對滑動,說明女孩沒有受到摩擦力的作用.

例10在進入高鐵站時所有行李箱都要通過安全檢查.如圖10,是一由電動機帶動的傳送帶,行李箱放到傳送帶上后會隨傳送帶一起向右勻速運動.

(1)行李箱____傳送帶的摩擦力;(選填“受”或“不受”)

(2)傳送帶上P點所受摩擦力的方向____.(注意P點的標記)注意左輪是從動輪而不是主動輪,把P點直接放到主動輪上(電動機輪)最右端,方便學生分析,解析已按照P點在最右側進行分析

解析(1)當行李箱隨傳送帶一起向右做勻速直線運動時,行李箱相對于傳送帶處于靜止狀態,假設行李箱受到傳送帶摩擦力的作用,則找不到與之平衡的力,故行李箱不受傳送帶的摩擦力;(2)傳送帶和轉輪之間相對靜止,但傳送帶有與右輪的轉動方向相反的相對運動趨勢,假設沒有摩擦力,傳送帶將出現打滑現象,所以傳送帶受到靜摩擦力的作用,傳送帶上P點受到摩擦力的方向豎直向下.

綜上10個實例可發現,通過定義法、平衡條件法、相互作用力法、力的作用效果分析法、假設法等可破解摩擦力方向之謎,對于同一問題,我們也可靈活采用多種方法進行分析判斷.