王天健
(長沙市雅禮中學(xué)1318班 湖南 長沙 410007)
談用圖像法表示摩擦力的突變
王天健
(長沙市雅禮中學(xué)1318班 湖南 長沙 410007)
摩擦力是中學(xué)物理的一個重要的知識點,從初中開始我們就被摩擦力搞得暈頭轉(zhuǎn)向,不是搞錯了大小就是搞錯了方向,到了高中再加上其它的力,同學(xué)們經(jīng)常被摩擦力磨得不知所措。筆者也是經(jīng)常為摩擦力的問題在考試中失分,為此筆者認真研究了一下摩擦力的問題,特別對于摩擦力的突變有了自己的體會,在這里就談?wù)勅绾斡脠D像表示摩擦力的突變。
圖像摩擦力突變
我們在研究摩擦力時常常遇到摩擦力的突變現(xiàn)象,如何形象直觀地表示或表述往往是棘手的問題,這里就談?wù)勅绾斡脠D像表示摩擦力的突變。
一個物體所受到的摩擦力,當其它力發(fā)生變化時,往往會引起摩擦力的變化。經(jīng)常出現(xiàn)這樣的情況,由于某一個力的量變卻引起了摩擦力在變化規(guī)律上的突變,或本質(zhì)上的突變。如果將這樣的突變用函數(shù)圖像表現(xiàn)出來,有的圖像在突變出現(xiàn)極點、拐點、不連續(xù)點等等。下面筆者以三個實例來說明摩擦力的突變問題。
問題1、有三個完全相同的物體(鐵塊或者木塊),質(zhì)量都是10kg,將它們并列放在水平面上,如圖1所示,物體與水平面的靜摩擦因數(shù)μ0=0. 3,滑動摩擦因數(shù)為μ=0.2,現(xiàn)用一個逐漸增大的外力水平地從右向左推物體A,試分析物體B在隨著外力的變化,所受摩擦力的變化情況?(重力加速度取10m/s2)
解析:B鐵塊所受的摩擦力有三個突變點,其一是在外力F由零增加到30N時,是B開始受到的靜摩擦力的分界點,這里一個突變;在F由30N增大到60N的過程中,B受到的靜摩擦力逐漸增大;其二是在外力增加到60N時,B受到的靜摩擦力增大到30N后保持不變,第二個突變;其三是當外力增大到90N處,B受到的靜摩擦力發(fā)生更大的突變,一下變?yōu)?0N。我們?nèi)绻脠D2來表示就一目了然。
問題2、如圖3所示,要將一個質(zhì)量為m=20kg的木箱從斜面底端用細繩通過定滑輪向上移動,在拉力F由零逐漸增大的過程中,求木箱所受斜面對它的摩擦力的變化情況。斜面的為θ=30°,木箱與斜面之間的靜摩擦因數(shù)μ0=0.3,滑動摩擦因數(shù)為μ=0.2,滑輪是光滑的,重力加速度取10m/s2。
解析:取木箱所受的摩擦力以向上為正,開始在F為零時,木箱受到地面的支持力和靜摩擦力的作用而平衡。
在F由零逐漸增大的過程中,摩擦力有三個突變點,其一是在外力F由零增加到30.72N處,是木箱受到最大的靜摩擦力開始的分界處,這里一個突變;在F
由30.72N增大到100N的過程中,木箱受到的靜摩擦力逐漸減小。其二是在外力增加到100N時,木箱受到的靜摩擦力突然改變方向,由沿著斜面向上變?yōu)檠刂泵嫦蛳?;隨著F的增大,摩擦力也逐漸增大。其三是當外力增大到169.28N處,木箱受到的靜摩擦力發(fā)生更大的突變,由靜摩擦力變?yōu)榛瑒幽Σ亮?,方向向下,大小突變?yōu)?4.64N,并且不再因F的增大而變化,如圖4所示。
例3、如圖5所示,有一水平運輸?shù)钠л?,以速度v=6m/s保持勻速運動,將物塊從皮帶輪的左端A點運送到右端的平臺B上。若將物塊由A點靜止放到皮帶輪上,到B平臺靜止下來,求物塊所受皮帶輪對它的摩擦力。設(shè)物塊m=10kg,物塊與皮帶輪及平臺之間的摩擦因數(shù)μ=0.2,皮帶輪長30m,平臺B足夠長,重力加速度取10m/s2。解析:從物塊放到皮帶輪上A點開始計時,在開始由于物塊水平方向速度為零,物塊和皮帶輪之間發(fā)生相對滑動,物塊在皮帶輪對于它的摩擦力的作用下向右加速,一直加速到與皮帶輪的速度相同為止。在這一階段物塊所受摩擦力大小為30N,方向向右(以向右為正),物塊的加速度為3 m/s2,加速到與皮帶輪的速度相同v=6m/s,
所經(jīng)歷的時間為2s,相對于地面物塊向前運動了6m。在物塊的速度達到和皮帶輪的速度相同時,摩擦力發(fā)生一個突變,由30N變?yōu)榱悖@是第一個突變。物塊在皮帶輪上以與皮帶輪相同的速度運動24m,需要運動4s鐘到達平臺B上,在這4s鐘內(nèi)物塊不受摩擦力的作用,即摩擦力為零。當物塊落到平臺B上時,摩擦力發(fā)生第二個突變,即摩擦力由零變到30N,且方向向左,使得物塊在平臺上作減速運動,經(jīng)過2s鐘減速后停止。整個摩擦力的變化情況如圖6所示。
從上面的三例我們可以看出,用圖像表示摩擦力的突變不僅清晰明了,而且可以加深對于摩擦力突變的理解。當然我們還可以圖像表示其他物理量的突變,這里就不贅述了。
[1].尹雄杰;用數(shù)學(xué)圖像研究摩擦力的“突變”問題[J];物理教師;2001年05期;
[2].劉鳳相;摩擦力突變情景淺析[J],高中數(shù)理化:高一版》2007年第11期;
[3].丁洪良;摩擦力的“突變”問題例析[J]《物理教學(xué)探討》2009年第12期。