如何判别静摩擦还是滑动摩擦?
很多时候,对于一道涉及摩擦力的综合力学题来说,我们无法根据题意立刻判断出是静摩擦还是滑动摩擦。这个时候,解题的第一步就是判定摩擦力的性质。这一步走不好,后面无法进行。大家可以参考2005年广东高考物理第18题。
我一般的思路是这样的:
首先假设是静摩擦,两者是整体,求整体的加速度。
在用单独一个物体(往往是分析仅受摩擦力的物体)的最大静摩擦力(这个时候往往题目告知是滑动摩擦力),是否能够提供此加速度。
1,如果可以,假设成立,两者之间是静摩擦力。
2,如果假设不成立,则必然是滑动摩擦力。
下面用实际案例来说明。如下图所示,位于光滑桌面上的小车质量M为4kg,物体A的质量为1kg,可认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力。用外力F=5N拉小车,问μ=0.05与0.5两种情况下物体A所受到的摩擦力分别是多少?
王尚解析:(1)当μ=0.05时,假设两者之间是静摩擦力,对M+m的整体分析,则
a共=5/(4+1)=1m/s²;
对A分析,因为水平方向只有一个静摩擦力来提供加速度a共,根据牛顿第二定律该力的大小为:
f=ma=1N;
而最大静摩擦力fmax=μmg=0.05*1*10=0.5N,显然上述f=1N比最大静摩擦力还要大。
因此假设不成立,即M与m之间是滑动摩擦力。
结论:当μ=0.05时,m所受到的是滑动摩擦力,f=μmg=0.05*1*10=0.5N;
(2)当μ=0.5时,还是假设两者之间是静摩擦力,对M+m的整体分析,则
a共=5/(4+1)=1m/s²;
对A分析,因为水平方向只有一个静摩擦力来提供加速度a共,根据牛顿第二定律该力的大小为:
f=ma=1N;
而最大静摩擦力fmax=μmg=0.5*1*10=5N,显然上述f=1N比最大静摩擦力5N要小。即这样的运动模式并没有引起两者之间相对滑动,假设是成立的。
因此M与m之间是静摩擦力。
结论:当μ=0.5时,m所受到的是静摩擦力,其他小为1N;
亲爱的同学们,看懂不是很难,关键是自己会处理。不放将该例题中的F=5N改为30N,(甚至再进一步,地面给小车的滑动摩擦力不能忽略,大小是2N),不要看上面的解析,自己亲自动手去用假设法做一遍,你一定会发现有新的问题出现。懒得人会觉得物理烦,勤快的人会觉得物理思维锻炼还是蛮有趣的。
这是高一上学期讲得知识,希望大家不要认为我上面的分析是废话。笔者非常负责人地告诉你,很多时候高三的孩子在这里复习的时候都有问题。柔和到一起,在力学难题中分析就不是那么简单了。可能,这个题目中摩擦力(动还是静是未知的)可能仅仅是4、5个力(甚至更多)中的一个。这个时候的判断就非常复杂,需要通过上面的过程严格一步一步来冷静思考。
下面简单说另外一个话题,摩擦力方向的判定。摩擦力的方向判定有两个方法,一个是书本上面的定义。即:摩擦力的方向总是阻碍运动方向或运动趋势(方向)。
另外一个就是假设法。假设界面是绝对光滑,那么会出现什么样的情况,而这种情况与常规事实(或题意)不符;借此(摩擦力为“事实”提供动力)来判定摩擦力的方向。这种假设法对静摩擦和滑动摩擦都成立。详细的案例解释,请看这篇文章《摩擦力方法判定的两个方法》
高中物理力学中的摩擦力是一个难点,尤其是和电磁学结合的时候,涉及到由静摩擦转化为滑动摩擦力的临界问题分析。
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