破解摩擦力方向之谜

池晓欢

(深圳市龙岗区实验学校,广东 深圳 518172)

“摩擦力”是整个初中物理教学中的重难点,其方向的判断更能考验学生的思维辨析能力,但由于学生对摩擦力定义不能充分理解和头脑中对相应物理情景的匮乏,导致对摩擦力方向的判断常常出现错误,本文将通过实例分析帮助学生破解摩擦力的方向之谜.

判断摩擦力的方向通常有多种方法,下面将分三种情况进行阐述.

1 静止的物体

对于静止的物体,摩擦力的方向与物体相对运动趋势的方向相反.

例1如图1所示,物体在斜面上处于静止状态,则物体所受的摩擦力方向如何?

图1 图2

解析斜面上的物体静止不动,但有相对斜面下滑的趋势,因此受到的静摩擦力方向沿斜面向上.

例2如图2所示,用一个水平向右的拉力拉水平桌面上的物体,但没有拉动,判断物体所受摩擦力的方向.

解析物体处于静止状态,即在水平方向受到的拉力和摩擦力二力平衡,根据二力平衡的条件可知此时物体受到的摩擦力方向与拉力F相反.

例3如图3所示,手握住一瓶水静止不动时,则手所受到的摩擦力方向如何?

图3

解析本题利用平衡条件法与相互作用力相结合来分析.水瓶静止不动,则瓶子处于平衡状态,受力平衡,在竖直方向上的摩擦力与重力是一对平衡力;手对瓶子施加竖直向上的摩擦力,同时瓶子也对手施加摩擦力,二者是一对相互作用力,故手受到的摩擦力方向竖直向下.

2 运动的物体

对于运动的物体,摩擦力的方向总是与物体相对运动的方向相反,注意与物体实际的运动方向无关.

表2

例4如图4中的某同学沿杆匀速向上爬升时,该同学受到的摩擦力方向如何?如果该同学沿杆匀速向下爬,摩擦力的方向发生改变吗?

解析该同学在竖直方向上无论在匀速向上还是匀速向下爬,均处于匀速直线运动状态,其重力与摩擦力均是一对平衡力,所以摩擦力的方向均与重力方向相反,竖直向上.

例5如图5中踢出去的足球继续在水平草地上向右滚动,最后慢慢停下.足球在离开脚后向右滚动的过程中,(忽略空气阻力)水平方向受力如何?

解析足球离开脚后不再受到脚施加的力,慢慢停下来而不是做匀速直线运动,是因为在水平方向受到地面给它施加的摩擦力,改变了足球原来的运动状态,故摩擦力方向与足球相对地面运动的方向相反,摩擦力的方向水平向左.

例6学习摩擦力一课时,老师给同学们演示了如图6所示的小实验:将牙刷刷毛朝下放在一个长木板上,向左慢慢拉动牙刷,可以观察到牙刷刷毛向右发生弯曲;若保持牙刷静止不动,向右水平缓慢拉动长木板,发现牙刷刷毛仍然是向右发生弯曲.

图6

(1)上述实验操作无论是牙刷向左运动还是长木板向右运动,牙刷刷毛都是向右发生弯曲,说明牙刷所受摩擦力的方向都是____.

(2)向右水平缓慢拉动长木板时,以长木板作为参照物,则牙刷相对长木板向左运动,故滑动摩擦力的方向是与物体相对运动的方向____.

解析(1)不管是向左拉牙刷还是向右水平缓慢拉动长木板,在牙刷和长木板之间存在一个阻碍牙刷相对长木板运动的力,这个力是滑动摩擦力,它作用效果使刷毛均向右弯曲,说明牙刷所受滑动摩擦力的方向均为水平向右;(2)向右水平缓慢拉动长木板时,以长木板作为参照物,则牙刷相对长木板向左运动,故滑动摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反.

例7如图7所示水平桌面上叠放着A、B两物体,小明向右拉动物体B,让A、B一起做匀速直线运动.则A、B之间和B与桌面间的摩擦力如何?

图7

解析A、B两物体一起做匀速直线运动,它们之间不存在相对运动,即A、B两个物体相对静止,而且没有相对运动的趋势,由定义法可知它们之间不存在摩擦力.

B物体相对于桌面向右做匀速直线运动,处于平衡状态,在水平方向受到的拉力F与摩擦力是一对平衡力,因此B物体所受桌面施加的摩擦力方向与B物体相对桌面的运动方向相反,即桌面对B的摩擦力向左,而B物体对桌面的摩擦力与桌面对B物体的摩擦力是一对相互作用力,故B物体对桌面的摩擦力向右.

例8在一个表面粗糙程度相同的物体A上放置物体B,物体B由水平绳子与弹簧测力计相连(不计绳与弹簧测力计的重力),弹簧测力计一端固定在墙面,如图8所示.现用一水平拉力F使物体A沿水平地面匀速直线运动,当物体B静止时,物体A对物体B的摩擦力方向如何判断?

图8

解析物体A、B之间发生相对滑动,且物体B相对于物体A向左做匀速直线运动,利用定义法可判断物体A对物体B的滑动摩擦力与物体相对运动的方向相反,所以物体B受到水平向右的摩擦力.

另外,也可用平衡条件法分析,物体B静止不动处于平衡状态,在水平方向受力平衡,即物体B受到物体A的摩擦力与水平绳向左的拉力平衡,所以物体B受到水平向右的摩擦力.

3 可能没有摩擦力的情况

有些时候学生无法判断摩擦力是否存在,这时我们可以采用假设法来判断,假设摩擦力存在,看是否能找到与之平衡的力,若不能找到,说明假设的该摩擦力不存在;或假设物体间接触面完全光滑,看物体的运动状态是否因此发生改变,若发生改变说明存在摩擦力.

例9如图9,一女孩正站在水平台阶上随扶梯匀速向上移动,此过程中,女孩是否受到摩擦力的作用,若受摩擦力,方向如何?

图9

解析在匀速上升过程中,女孩受力平衡,在竖直方向上受重力和支持力,二力平衡,在水平方向假设女孩受摩擦力,但是找不到与之平衡的力,所以假设不成立,即此女孩不受摩擦力;也可以假设女孩与台阶的接触面完全光滑,发现女孩与台阶没有相对滑动,说明女孩没有受到摩擦力的作用.

例10在进入高铁站时所有行李箱都要通过安全检查.如图10,是一由电动机带动的传送带,行李箱放到传送带上后会随传送带一起向右匀速运动.

(1)行李箱____传送带的摩擦力;(选填“受”或“不受”)

(2)传送带上P点所受摩擦力的方向____.(注意P点的标记)注意左轮是从动轮而不是主动轮,把P点直接放到主动轮上(电动机轮)最右端,方便学生分析,解析已按照P点在最右侧进行分析

解析(1)当行李箱随传送带一起向右做匀速直线运动时,行李箱相对于传送带处于静止状态,假设行李箱受到传送带摩擦力的作用,则找不到与之平衡的力,故行李箱不受传送带的摩擦力;(2)传送带和转轮之间相对静止,但传送带有与右轮的转动方向相反的相对运动趋势,假设没有摩擦力,传送带将出现打滑现象,所以传送带受到静摩擦力的作用,传送带上P点受到摩擦力的方向竖直向下.

综上10个实例可发现,通过定义法、平衡条件法、相互作用力法、力的作用效果分析法、假设法等可破解摩擦力方向之谜,对于同一问题,我们也可灵活采用多种方法进行分析判断.