楊順平
斜面體與地面間的摩擦力問(wèn)題是高中力學(xué)的一個(gè)難點(diǎn),也是力學(xué)部分常考的一類(lèi)問(wèn)題.本文就“物體-斜面體”系統(tǒng)中求解斜面體與地面間摩擦力的幾種情況探析如下.
1.物體在斜面體上靜止或沿斜面體勻速下滑時(shí),斜面體與地面之間沒(méi)有摩擦力
圖1例1 如圖1所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m物體放在斜面體上恰能靜止或勻速下滑,則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 方法1 用整體法,由于物體恰能靜止或沿斜面體勻速下滑,把物體和斜面體當(dāng)作一個(gè)整體,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),在水平方向不受外力作用,所以地面對(duì)斜面體沒(méi)有摩擦力的作用.
方法2 用隔離法,對(duì)物體進(jìn)行受力分析可得:
沿斜面方向 Ff=mgsinθ
垂直斜面方向 FN=mgcosθ
若斜面體受到地面的摩擦力作用,必有沿水平面運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì).
而物體對(duì)斜面體的反作用力在水平方向的合力
Fx=FNsinθ-Ffcosθ=mgcosθsinθ-mgsinθcosθ=0
所以,斜面體既沒(méi)有沿水平面運(yùn)動(dòng),也沒(méi)有沿水平面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),地面對(duì)斜面體沒(méi)有摩擦力的作用.
2.物體在斜面體上作加速或減速下滑,斜面體與地面間必有摩擦力,摩擦力方向與加速度水平分量的方向相同
圖2例2 如圖2所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m的物體放在斜面體上加速下滑,則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 方法1 把物體和斜面體當(dāng)作一個(gè)整體,在水平方向上,系統(tǒng)受到的合外力作用于物體產(chǎn)生水平方向的加速度,則 f=macosθ,摩擦力方向?yàn)榧铀俣人椒至康姆较?
方法2 對(duì)物體,由牛頓第二定律
沿斜面方向 mgsinθ-Ff=ma(1)
垂直斜面方向 FN-mgcosθ=0(2)
假設(shè)地面對(duì)斜面體的摩擦力f的方向水平向左,則
f+Ff′cosθ-FN′sinθ=0(3)
聯(lián)立(1)(2)(3)式,解得f=macosθ,摩擦力與加速度水平分量的方向相同.
同理,物塊沿斜面減速下滑時(shí)摩擦力與加速度水平分量的方向仍然相同.
3.物體沿斜面不管做何種運(yùn)動(dòng)上滑,斜面體必受到地面的摩擦力,摩擦力方向與物體上滑的速度的水平分量方向相反
圖3例3 如圖3所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m的物體在斜面體上向上滑動(dòng),則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 物塊沿斜面體上滑,它受到斜面體的摩擦力沿斜面向下,則:
物塊受到斜面體的摩擦力 Ff=μFN(1)
垂直斜面方向 FN-mgcosθ=0(2)
由牛頓第三定律,斜面體受到物塊的反作用力,其中摩擦力Ff′=Ff,壓力FN′=FN,它們的水平分量方向都向右,與物塊上滑的速度的水平分量方向相同,所以地面對(duì)斜面體的摩擦力水平方向向左.且
f=Ff′cosθ+FN′sinθ(3)
聯(lián)立(1)(2)(3)式解得f=μmgcos2θ+mgcosθ,摩擦力方向與物體上滑的速度的水平分量方向相反.
4.物體在斜面體上勻速下滑,施加平行于斜面的外力F作用后沿斜面加速下滑,斜面體與地面間無(wú)摩擦力.
例4 如圖4所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m物體在斜面體上勻速下滑,施加平行于斜面向下的外力F作用后沿斜面加速下滑.則斜面體與水平面間摩擦力為 .
圖4解析 物體在斜面體上勻速下滑時(shí),把物體和斜面體看成一個(gè)整體,整體處于平衡狀態(tài),此時(shí)斜面體與地面間的摩擦力f=0.當(dāng)物體在外力F作用下加速下滑時(shí),以斜面體為研究對(duì)象,其受力情況沒(méi)有發(fā)生任何變化,所以斜面體與地面間仍然沒(méi)有摩擦力.
總之,摩擦力是高中物理教學(xué)中的難點(diǎn)之一,尤其是求解斜面體與地面間的摩擦力問(wèn)題使好多學(xué)生感到比較困惑,這類(lèi)問(wèn)題對(duì)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力要求較高.希望通過(guò)本文探析,對(duì)學(xué)生分析處理這類(lèi)問(wèn)題有所幫助.
斜面體與地面間的摩擦力問(wèn)題是高中力學(xué)的一個(gè)難點(diǎn),也是力學(xué)部分??嫉囊活?lèi)問(wèn)題.本文就“物體-斜面體”系統(tǒng)中求解斜面體與地面間摩擦力的幾種情況探析如下.
1.物體在斜面體上靜止或沿斜面體勻速下滑時(shí),斜面體與地面之間沒(méi)有摩擦力
圖1例1 如圖1所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m物體放在斜面體上恰能靜止或勻速下滑,則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 方法1 用整體法,由于物體恰能靜止或沿斜面體勻速下滑,把物體和斜面體當(dāng)作一個(gè)整體,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),在水平方向不受外力作用,所以地面對(duì)斜面體沒(méi)有摩擦力的作用.
方法2 用隔離法,對(duì)物體進(jìn)行受力分析可得:
沿斜面方向 Ff=mgsinθ
垂直斜面方向 FN=mgcosθ
若斜面體受到地面的摩擦力作用,必有沿水平面運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì).
而物體對(duì)斜面體的反作用力在水平方向的合力
Fx=FNsinθ-Ffcosθ=mgcosθsinθ-mgsinθcosθ=0
所以,斜面體既沒(méi)有沿水平面運(yùn)動(dòng),也沒(méi)有沿水平面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),地面對(duì)斜面體沒(méi)有摩擦力的作用.
2.物體在斜面體上作加速或減速下滑,斜面體與地面間必有摩擦力,摩擦力方向與加速度水平分量的方向相同
圖2例2 如圖2所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m的物體放在斜面體上加速下滑,則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 方法1 把物體和斜面體當(dāng)作一個(gè)整體,在水平方向上,系統(tǒng)受到的合外力作用于物體產(chǎn)生水平方向的加速度,則 f=macosθ,摩擦力方向?yàn)榧铀俣人椒至康姆较?
方法2 對(duì)物體,由牛頓第二定律
沿斜面方向 mgsinθ-Ff=ma(1)
垂直斜面方向 FN-mgcosθ=0(2)
假設(shè)地面對(duì)斜面體的摩擦力f的方向水平向左,則
f+Ff′cosθ-FN′sinθ=0(3)
聯(lián)立(1)(2)(3)式,解得f=macosθ,摩擦力與加速度水平分量的方向相同.
同理,物塊沿斜面減速下滑時(shí)摩擦力與加速度水平分量的方向仍然相同.
3.物體沿斜面不管做何種運(yùn)動(dòng)上滑,斜面體必受到地面的摩擦力,摩擦力方向與物體上滑的速度的水平分量方向相反
圖3例3 如圖3所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m的物體在斜面體上向上滑動(dòng),則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 物塊沿斜面體上滑,它受到斜面體的摩擦力沿斜面向下,則:
物塊受到斜面體的摩擦力 Ff=μFN(1)
垂直斜面方向 FN-mgcosθ=0(2)
由牛頓第三定律,斜面體受到物塊的反作用力,其中摩擦力Ff′=Ff,壓力FN′=FN,它們的水平分量方向都向右,與物塊上滑的速度的水平分量方向相同,所以地面對(duì)斜面體的摩擦力水平方向向左.且
f=Ff′cosθ+FN′sinθ(3)
聯(lián)立(1)(2)(3)式解得f=μmgcos2θ+mgcosθ,摩擦力方向與物體上滑的速度的水平分量方向相反.
4.物體在斜面體上勻速下滑,施加平行于斜面的外力F作用后沿斜面加速下滑,斜面體與地面間無(wú)摩擦力.
例4 如圖4所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m物體在斜面體上勻速下滑,施加平行于斜面向下的外力F作用后沿斜面加速下滑.則斜面體與水平面間摩擦力為 .
圖4解析 物體在斜面體上勻速下滑時(shí),把物體和斜面體看成一個(gè)整體,整體處于平衡狀態(tài),此時(shí)斜面體與地面間的摩擦力f=0.當(dāng)物體在外力F作用下加速下滑時(shí),以斜面體為研究對(duì)象,其受力情況沒(méi)有發(fā)生任何變化,所以斜面體與地面間仍然沒(méi)有摩擦力.
總之,摩擦力是高中物理教學(xué)中的難點(diǎn)之一,尤其是求解斜面體與地面間的摩擦力問(wèn)題使好多學(xué)生感到比較困惑,這類(lèi)問(wèn)題對(duì)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力要求較高.希望通過(guò)本文探析,對(duì)學(xué)生分析處理這類(lèi)問(wèn)題有所幫助.
斜面體與地面間的摩擦力問(wèn)題是高中力學(xué)的一個(gè)難點(diǎn),也是力學(xué)部分??嫉囊活?lèi)問(wèn)題.本文就“物體-斜面體”系統(tǒng)中求解斜面體與地面間摩擦力的幾種情況探析如下.
1.物體在斜面體上靜止或沿斜面體勻速下滑時(shí),斜面體與地面之間沒(méi)有摩擦力
圖1例1 如圖1所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m物體放在斜面體上恰能靜止或勻速下滑,則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 方法1 用整體法,由于物體恰能靜止或沿斜面體勻速下滑,把物體和斜面體當(dāng)作一個(gè)整體,系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),在水平方向不受外力作用,所以地面對(duì)斜面體沒(méi)有摩擦力的作用.
方法2 用隔離法,對(duì)物體進(jìn)行受力分析可得:
沿斜面方向 Ff=mgsinθ
垂直斜面方向 FN=mgcosθ
若斜面體受到地面的摩擦力作用,必有沿水平面運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì).
而物體對(duì)斜面體的反作用力在水平方向的合力
Fx=FNsinθ-Ffcosθ=mgcosθsinθ-mgsinθcosθ=0
所以,斜面體既沒(méi)有沿水平面運(yùn)動(dòng),也沒(méi)有沿水平面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),地面對(duì)斜面體沒(méi)有摩擦力的作用.
2.物體在斜面體上作加速或減速下滑,斜面體與地面間必有摩擦力,摩擦力方向與加速度水平分量的方向相同
圖2例2 如圖2所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m的物體放在斜面體上加速下滑,則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 方法1 把物體和斜面體當(dāng)作一個(gè)整體,在水平方向上,系統(tǒng)受到的合外力作用于物體產(chǎn)生水平方向的加速度,則 f=macosθ,摩擦力方向?yàn)榧铀俣人椒至康姆较?
方法2 對(duì)物體,由牛頓第二定律
沿斜面方向 mgsinθ-Ff=ma(1)
垂直斜面方向 FN-mgcosθ=0(2)
假設(shè)地面對(duì)斜面體的摩擦力f的方向水平向左,則
f+Ff′cosθ-FN′sinθ=0(3)
聯(lián)立(1)(2)(3)式,解得f=macosθ,摩擦力與加速度水平分量的方向相同.
同理,物塊沿斜面減速下滑時(shí)摩擦力與加速度水平分量的方向仍然相同.
3.物體沿斜面不管做何種運(yùn)動(dòng)上滑,斜面體必受到地面的摩擦力,摩擦力方向與物體上滑的速度的水平分量方向相反
圖3例3 如圖3所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m的物體在斜面體上向上滑動(dòng),則斜面體與水平面間的摩擦力為 .
解析 物塊沿斜面體上滑,它受到斜面體的摩擦力沿斜面向下,則:
物塊受到斜面體的摩擦力 Ff=μFN(1)
垂直斜面方向 FN-mgcosθ=0(2)
由牛頓第三定律,斜面體受到物塊的反作用力,其中摩擦力Ff′=Ff,壓力FN′=FN,它們的水平分量方向都向右,與物塊上滑的速度的水平分量方向相同,所以地面對(duì)斜面體的摩擦力水平方向向左.且
f=Ff′cosθ+FN′sinθ(3)
聯(lián)立(1)(2)(3)式解得f=μmgcos2θ+mgcosθ,摩擦力方向與物體上滑的速度的水平分量方向相反.
4.物體在斜面體上勻速下滑,施加平行于斜面的外力F作用后沿斜面加速下滑,斜面體與地面間無(wú)摩擦力.
例4 如圖4所示,在粗糙水平面上放一質(zhì)量為M的斜面體,質(zhì)量為m物體在斜面體上勻速下滑,施加平行于斜面向下的外力F作用后沿斜面加速下滑.則斜面體與水平面間摩擦力為 .
圖4解析 物體在斜面體上勻速下滑時(shí),把物體和斜面體看成一個(gè)整體,整體處于平衡狀態(tài),此時(shí)斜面體與地面間的摩擦力f=0.當(dāng)物體在外力F作用下加速下滑時(shí),以斜面體為研究對(duì)象,其受力情況沒(méi)有發(fā)生任何變化,所以斜面體與地面間仍然沒(méi)有摩擦力.
總之,摩擦力是高中物理教學(xué)中的難點(diǎn)之一,尤其是求解斜面體與地面間的摩擦力問(wèn)題使好多學(xué)生感到比較困惑,這類(lèi)問(wèn)題對(duì)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力要求較高.希望通過(guò)本文探析,對(duì)學(xué)生分析處理這類(lèi)問(wèn)題有所幫助.