用臨界法分析摩擦力的4種突變

楊 勇

(山東省臨清市實驗高級中學)

摩擦力是高中物理學習的難點,尤其是摩擦力的突變問題.在解決問題時,弄清楚摩擦力的突變情況有利于準確地進行受力分析,從而快速、正確地解決問題.抓住臨界狀態,有利于認清摩擦力的類型、大小、方向的變化,能夠更好地分析其突變.

1 臨界法

當物體從一種運動形式、性質或特征,由于約束條件變化而轉化成另一種運動形式、性質或特征時,物體的運動形式、性質或特征在發生質變時所處的特定物理狀態叫臨界狀態.物體出現臨界狀態的條件,叫臨界條件.在分析問題時,抓住臨界條件,確定臨界前后的狀態,從而解決問題的方法叫臨界分析法.

2 摩擦力突變的4種情況

2.1 “由靜到靜”突變模型

“由靜到靜”的突變是指摩擦力類型保持為靜摩擦力,但是物體受到的外力發生變化導致摩擦力的大小、方向發生變化.如圖1 所示,一物體在水平力F作用下恰好能靜止于斜面上,F突然增大時物體仍能靜止.F增大前物體有向下滑動的趨勢,靜摩擦力方向向上;增大F后物體有向上滑動的趨勢,靜摩擦力向下,在此過程中物體所受靜摩擦力的大小或方向將“突變”.

圖1

圖2

A.摩擦力會變為滑動摩擦力

B.摩擦力變大

C.摩擦力會對物體做負功

D.摩擦力方向一定發生變化

圖3

圖4

2.2 “由靜到動”突變模型

物體所受外力變化,導致物體由相對靜止變成相對滑動,摩擦力由靜摩擦力變成滑動摩檫力.例如,粗糙水平面上的物體受到水平力F的作用,水平力F從零逐漸增大,當水平力F等于最大靜摩擦力時,物體開始滑動時,靜摩擦力突變為滑動摩擦力,摩擦力計算方法會發生變化,可由Ff＝μFN計算,也可由力與運動的關系得出.

圖5

2.3 “由動到靜”突變模型

運動物體由于運動狀態發生變化導致摩擦力從滑動摩擦力變為靜摩擦力.例如,一滑塊以初速度v0沖上足夠長的斜面,當到達最高點速度減為零后由于斜面比較粗糙,動摩擦因數大于斜面傾角正切值,物塊靜止在斜面上,滑動摩擦力突變為靜摩擦力,摩擦力計算方式發生變化.

圖6

2.4 “由動到動”突變模型

條件變化導致物體間相對滑動方向隨之變化,使得物體所受滑動摩擦力方向突變.例如,可以看成質點的物塊以一定的初速度滑上傳送帶,其速度小于傳送帶的速度,二者運動方向都向右,物塊相對傳送帶滑動方向向左,受到向右的滑動摩擦力,如果傳送帶卡住,則物塊相對滑動方向由向左突然變成向右,滑動摩擦力方向突變.

圖7

(完)