高中物理第三节 摩擦力学案设计

这是一份高中物理第三节 摩擦力学案设计，共12页。

第三节　摩擦力
[学习目标]　1.知道滑动摩擦力的概念及产生条件，会判断滑动摩擦力的方向.2.知道滑动摩擦力的大小跟什么有关，会求滑动摩擦力.3.知道静摩擦力的概念及产生条件，会判断静摩擦力的方向.4.知道最大静摩擦力的概念，知道静摩擦力的大小范围.

一、滑动摩擦力
1.滑动摩擦：两个相互接触并有挤压的物体之间发生相对运动时，产生的摩擦.
2.滑动摩擦力
(1)定义：在滑动摩擦中，在接触面上产生的阻碍物体相对运动的作用力.
(2)方向：总是与物体相对运动的方向相反，与它们的接触面相切.
(3)大小：
①滑动摩擦力的大小f跟压力FN成正比，还跟接触面的性质有关.
②公式：f＝μFN.
③动摩擦因数μ：与接触面的材料和粗糙程度有关.
二、静摩擦力
1.定义：当两个相互接触的物体之间具有相对运动趋势时，物体间产生的摩擦叫作静摩擦，这时产生的摩擦力叫作静摩擦力.
2.方向：总是与物体相对运动趋势的方向相反，与它们的接触面相切.
3.最大静摩擦力：静摩擦力的最大值.在数值上等于物体刚刚开始运动时所需的最小拉力.
4.静摩擦力的大小：两物体间实际发生的静摩擦力f在0和最大静摩擦力fmax之间，即0 三、摩擦力的应用
1.有益的摩擦靠增大接触面的粗糙程度来增大摩擦力.
2.有害的摩擦通过安装滚珠、加入润滑油等来减小摩擦.

1.判断下列说法的正误.
(1)有相对运动或有相对运动趋势的物体间一定有摩擦力.(　×　)
(2)摩擦力的方向一定与接触面所受的压力方向垂直.(　√　)
(3)摩擦力的方向不可能与物体的运动方向相同.(　×　)
(4)一个静止的物体也可能受到滑动摩擦力.(　√　)
(5)物体所受的滑动摩擦力与物体的重力成正比.(　×　)
2.已知木箱重力为200 N，木箱与水平桌面间的动摩擦因数为0.2，当木箱在水平桌面上以10 m/s的速度运动时，木箱所受桌面的摩擦力大小为 N；当用20 N水平外力推木箱没有推动时，木箱受到的摩擦力大小为 N；当在该木箱上放一相同的木箱，两木箱在水平桌面上一起以15 m/s的速度运动时，下面木箱所受桌面的摩擦力大小为 N.
答案　40　20　80

一、滑动摩擦力
导学探究　按如图1所示实验装置做一做：用力拉动木板，使之在水平桌面上滑动.

图1
(1)木块受到的摩擦力大小和弹簧测力计示数有什么关系？
(2)在木块上添加重物，增大木块对木板的压力时，摩擦力如何变化？
(3)在木板上铺一块较粗糙的毛巾，摩擦力如何变化？
答案　(1)相等　(2)增大　(3)增大
知识深化
1.滑动摩擦力产生的条件
(1)两物体相互接触挤压(即有弹力).
(2)物体间的接触面不光滑.
(3)两物体间存在相对运动.
2.滑动摩擦力的方向
(1)在接触面上，与接触面相切，且与物体相对运动的方向相反.
(2)与物体的运动方向可能相同，也可能相反.
3.滑动摩擦力的大小
(1)公式法：根据公式f＝μFN计算.
①正压力FN是物体与接触面间的压力，不一定等于物体的重力，FN的大小根据物体的受力情况确定.
②动摩擦因数μ与材料和接触面的粗糙程度有关，而与物体间的压力、接触面的大小无关.
(2)二力平衡法：物体处于平衡状态(匀速直线运动或静止)时，根据二力平衡条件求解.
[深度思考]
1.滑动摩擦力总是阻力吗？
答案　滑动摩擦力总是阻碍物体间的相对运动，但不一定阻碍物体的运动.当摩擦力的方向与物体的运动方向相同时，它是物体运动的动力；当摩擦力的方向与物体的运动方向相反时，它是物体运动的阻力.
2.静止的物体可以受到滑动摩擦力吗？
答案　可以.如图所示，B板被抽出时，静止的A物体受到向左的滑动摩擦力.

(多选)如图2，一只猫在桌边猛地将桌布从鱼缸下向右拉出，鱼缸在桌面上继续向右滑行了一段距离后停下，关于桌布和鱼缸所受滑动摩擦力的方向，下列说法正确的是(　　)

图2
A.桌布对鱼缸的滑动摩擦力方向向左
B.桌布对鱼缸的滑动摩擦力方向向右
C.鱼缸对桌布的滑动摩擦力方向向左
D.鱼缸对桌布的滑动摩擦力方向向右
答案　BC
解析　鱼缸相对桌布向左运动，桌布对鱼缸的滑动摩擦力方向向右，故选项A错误，B正确；桌布相对鱼缸向右运动，鱼缸对桌布的滑动摩擦力方向向左，故选项C正确，D错误.
针对训练1　有关滑动摩擦力，下列说法中正确的是(　　)
A.滑动摩擦力的方向一定与物体运动方向相反
B.滑动摩擦力的方向一定与两物体间相对运动的方向相反
C.物体在支持面上的滑动速度越大，滑动摩擦力也一定越大
D.接触面间接触面积越大，滑动摩擦力也一定越大
答案　B
解析　滑动摩擦力总是阻碍物体间的相对运动，滑动摩擦力的方向一定与物体相对运动的方向相反，但不一定与物体运动方向相反，故A错误，B正确；滑动摩擦力的大小f＝μFN，与物体在支持面上的滑动速度无关，与接触面积也无关，故C、D错误.
二、静摩擦力
导学探究　把木块放在水平桌面上，用弹簧测力计沿水平方向向右拉木块，如图3所示.
当测力计的示数为1 N时，木块没有动；逐渐增大拉力到2 N 时，木块仍静止；继续增大拉力到4 N时，木块开始运动，此时拉力突然变小到3.8 N，此后木块匀速运动，拉力保持3.8 N不变.

图3
(1)木块受到的拉力为1 N时，有相对桌面运动的趋势但没有运动，说明什么呢？
(2)随着外力的增大，静摩擦力有什么变化？当变为滑动摩擦力时，摩擦力为什么又变小了？
答案　(1)说明桌面对木块施加了一个与拉力方向相反、大小也为1 N的力，这个力就是桌面对木块的静摩擦力.
(2)静摩擦力的大小随着外力的增大而增大，但有一个最大值.这个最大值比滑动摩擦力稍微大一些.
知识深化
1.静摩擦力的产生条件
(1)两物体直接接触且相互挤压(即有弹力).
(2)接触面粗糙.
(3)两物体间有相对运动的趋势.
2.静摩擦力的方向
(1)在接触面上与接触面相切，且与物体相对运动趋势的方向相反.
(2)当物体处于平衡状态(静止或匀速直线运动)时，与使物体产生相对运动趋势的外力方向相反.
说明　静摩擦力的方向与相对运动趋势的方向相反，与运动方向可能相同，也可能相反.
3.静摩擦力的大小
(1)范围：0＜f≤fmax.
(2)计算：物体做匀速直线运动或静止时，根据二力平衡条件求解.
(3)静摩擦力大小与正压力无关.
[深度思考]　受静摩擦力作用的物体一定处于静止状态吗？
答案　静摩擦力发生在相对静止的两物体之间，受静摩擦力作用的物体不一定是静止的，运动的物体也可能受静摩擦力作用，如图所示，物体随传送带匀速上升时.

关于静摩擦力，下列说法中正确的是(　　)
A.受静摩擦力作用的物体一定是静止的
B.静摩擦力总是阻力
C.静摩擦力的方向跟物体间相对运动趋势的方向相反
D.两个物体之间的静摩擦力总是一个定值
答案　C
解析　静摩擦力产生在两个相对静止的物体之间，但物体可以是运动的，所以A错误；静摩擦力的作用是阻碍物体间的相对运动趋势，方向与物体间相对运动趋势的方向相反，但可能与运动方向相同，所以B错误，C正确；两物体间静摩擦力的大小与平行于接触面的力有关，因此D错误.
针对训练2　下列有关静摩擦力的说法正确的是(　　)
A.同一接触面上的弹力和摩擦力一定相互平行
B.静摩擦力与压力成正比
C.静摩擦力的方向可能与运动方向垂直
D.静摩擦力的方向与物体运动方向一定相反
答案　C
解析　同一接触面上的弹力和摩擦力相互垂直，故A错误；静摩擦力的大小与压力无关，故B错误；静摩擦力的方向可与运动方向成任意角度，故C正确；静摩擦力的方向与物体运动方向无关，但一定与相对运动趋势方向相反，故D错误.
三、摩擦力大小的计算
质量为3.0 kg的空木箱，放置在水平地面上，沿水平方向施加拉力，当拉力F1＝8.0 N时，木箱静止；当拉力F2＝10.3 N时，木箱做匀速直线运动(g取9.8 m/s2)，求：
(1)木箱与地面间的动摩擦因数；
(2)木箱在F1＝8.0 N的拉力作用下受到的摩擦力的大小；
(3)木箱在F3＝16.0 N的水平拉力作用下，受到的摩擦力的大小.
答案　(1)0.35　(2)8.0 N　(3)10.3 N
解析　(1)当拉力F2＝10.3 N时，木箱做匀速直线运动，木箱水平方向受到拉力F2和滑动摩擦力f1，根据二力平衡条件有：f1＝F2＝10.3 N
木箱放在水平地面上，则FN＝mg.木箱与地面间的动摩擦因数为μ＝
联立解得μ≈0.35.
(2)当拉力F1＝8.0 N时，木箱静止，木箱水平方向所受到的静摩擦力f2与F1二力平衡，则有：f2＝F1＝8.0 N.
(3)当拉力F3＝16.0 N时，木箱将在地面上滑动，此时木箱所受到的摩擦力为滑动摩擦力，由第(1)问可以知道，f3＝f1＝10.3 N.

摩擦力大小的计算思路
(1)首先要判定是静摩擦力还是滑动摩擦力.
(2)对于静摩擦力：物体处于匀速直线运动或静止状态时，可以根据二力平衡条件求解，也可以用其他方法求解(以后会学习).
(3)对于滑动摩擦力：根据公式法或二力平衡条件求解.
针对训练3　如图4所示，质量为20 kg的物体静止在水平地面上，已知物体与水平地面间的最大静摩擦力为120 N，动摩擦因数是0.5，物体的一端与一根劲度系数为4×103 N/m的水平轻质弹簧相连(设弹簧的形变始终在弹性限度内，取g＝10 m/s2)，问：

图4
(1)将弹簧拉长2 cm时，地面对物体的摩擦力f1多大？
(2)将弹簧拉长4 cm时，地面对物体的摩擦力f2多大？
(3)物体在水平地面上做匀速直线运动时，弹簧形变量x多大？
答案　(1)80 N　(2)100 N　(3)0.025 m
解析　(1)根据胡克定律F＝kx，
当x1＝2 cm＝0.02 m时，
F1＝4×103×0.02 N＝80 N
拉力F1小于最大静摩擦力，物体具有向右运动的趋势，此时地面对物体的静摩擦力大小为f1＝80 N.
(2)当x2＝4 cm＝0.04 m时，
F2＝4×103×0.04 N＝160 N，大于最大静摩擦力，物体已经运动，这时摩擦力为滑动摩擦力，大小为f2＝μFN＝μmg＝0.5×20×10 N＝100 N.
(3)当物体在水平地面上做匀速直线运动时，物体受滑动摩擦力，滑动摩擦力和弹簧拉力为一对平衡力，即弹簧拉力F＝μmg＝100 N，由F＝kx，解得x＝ m＝0.025 m.


考点一　对摩擦力的理解
1.(2021·北京师范大学附属中学高一上期末)下列关于摩擦力的说法中正确的是(　　)
A.摩擦力大小总跟接触面上的压力大小成正比
B.摩擦力的方向一定与物体的运动方向相反
C.滑动摩擦力大小跟两物体间相对运动的速度大小成正比
D.两物体间有摩擦力就一定有弹力，且两者方向互相垂直
答案　D
解析　滑动摩擦力大小总跟接触面上的正压力大小成正比，而静摩擦力不是，选项A错误；摩擦力的方向一定与物体的相对运动方向相反，选项B错误；滑动摩擦力大小跟两物体间相对运动的速度大小无关，选项C错误；根据摩擦力产生的条件可知，两物体间有摩擦力就一定有弹力，且两者方向互相垂直，选项D正确.
2.关于μ＝，下列说法中正确的是(　　)
A.动摩擦因数μ与滑动摩擦力f成正比，f越大，μ越大
B.动摩擦因数μ与正压力FN成反比，FN越大，μ越小
C.相同的条件下，接触面积越大，动摩擦因数越大
D.动摩擦因数μ的大小与两物体接触面的粗糙程度及材料有关
答案　D
解析　动摩擦因数与两物体接触面的粗糙程度及材料有关，与正压力、接触面积及滑动摩擦力无关，选项A、B、C错误，D正确.
3.《中国制造2025》是国家实施强国战略第一个十年行动纲领，智能机器制造是一个重要方向，其中智能机械臂已广泛应用于各个领域.如图1所示，一个机械臂将铁夹转到水平位置，然后竖直夹起一个金属小球，小球在空中处于静止状态，铁夹与球接触面保持竖直，则(　　)

图1
A.若增大铁夹对小球的压力，小球受到的摩擦力变大
B.小球受到的摩擦力与重力大小相等
C.若铁夹竖直向上匀速平移，小球受到的摩擦力变大
D.若铁夹水平向左匀速平移，小球受到的摩擦力变大
答案　B
解析　无论是静止状态，还是匀速平移，对小球受力分析可知，在竖直方向上小球受到的重力与静摩擦力是一对相互平衡的力，可知静摩擦力与重力大小相等，方向相反，故A、C、D错误，B正确.
4.(多选)如图2所示，人握住旗杆匀速上爬，则下列说法正确的是(　　)

图2
A.人受到的摩擦力的方向是向下的
B.人受到的摩擦力的方向是向上的
C.手握旗杆的力越大，人受到的摩擦力越大
D.若人匀速滑下，则人受到的摩擦力为滑动摩擦力，大小等于匀速上爬的摩擦力
答案　BD
解析　人匀速上爬，受力平衡，则人所受摩擦力与重力大小相等、方向相反，手握旗杆的力增加，但人受到的摩擦力不变，选项B正确，选项A、C错误；当匀速滑下时，人受到的摩擦力为滑动摩擦力，且仍与重力平衡，选项D正确.
考点二　摩擦力的大小
5.一物体置于粗糙水平地面上，按图3所示不同的放法，在水平力F的作用下运动，设地面与物体各接触面间的动摩擦因数均相等，则物体受到的摩擦力的大小关系是(　　)

图3
A.F甲＞F乙＞F丙 B.F乙＞F甲＞F丙
C.F丙＞F乙＞F甲 D.F甲＝F乙＝F丙
答案　D
解析　滑动摩擦力f＝μFN，滑动摩擦力与接触面间的动摩擦因数以及正压力有关，与接触面的大小无关，三种情况下μ相同，FN也相等，故三种情况下的滑动摩擦力大小相等.
6.如图4甲所示，某同学用水平绳拉放在平台上的行李包，一直没有拉动，通过手上的弹簧测力计测出拉力F与时间t的关系如图乙所示，则行李包与地面间的摩擦力的大小与时间t的关系图像正确的是(　　)

图4

答案　A
解析　该同学没有拉动行李包，说明行李包与平台间的摩擦力是静摩擦力，静摩擦力与拉力大小相等，故A正确.
7.一块质量为1 kg、长为0.4 m的匀质长木板放在固定的水平桌面上，已知木板与桌面间的动摩擦因数为μ＝0.2，重力加速度g取10 m/s2，当用水平力F＝3 N推木板，使它经过如图5所示的位置时，桌面对木板的摩擦力为(　　)

图5
A.3 N B.2 N C.1.5 N D.0.5 N
答案　B
解析　因为木板被推动，所以木板受到的摩擦力为滑动摩擦力，木板对桌面的压力大小FN＝mg＝10 N，所以桌面对木板的滑动摩擦力为f＝μFN＝2 N，B正确.
8.如图6所示，在μ＝0.1的水平面上有一个向右运动的物体，质量为20 kg，在运动过程中，还受到一个方向水平向左的大小为10 N的拉力的作用，则物体向右运动过程中受到的滑动摩擦力为(g取10 N/kg)(　　)

图6
A.10 N，向右 B.10 N，向左
C.20 N，向右 D.20 N，向左
答案　D
解析　f＝μFN＝μmg＝20 N，方向与相对运动方向相反，故选项D正确.

9.(2020·成都七中高一下入学考试)如图7所示，将一张A4纸(质量可忽略不计)夹在水平放置的物理书内，书对A4纸的压力为3 N，A4纸与书之间的动摩擦因数为0.3，要把A4纸从书中拉出，拉力至少应为(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)(　　)

图7
A.0.9 N
B.1.8 N
C.9.0 N
D.18 N
答案　B
解析　A4纸与书上、下两个接触面都有滑动摩擦力，则有f＝2μFN＝2×0.3×3 N＝1.8 N；当拉力等于滑动摩擦力时，拉力最小，所以B正确.
10.如图8所示，用大小为100 N的握力握住一个重为40 N的瓶子.瓶子竖直，始终处于静止状态.已知手掌与瓶子间的动摩擦因数μ＝0.5，则(　　)

图8
A.瓶子受到的摩擦力大小为40 N
B.瓶子受到的摩擦力大小为50 N
C.当握力增大时，瓶子受到的摩擦力将增大
D.当握力减小时，瓶子受到的摩擦力将减小
答案　A
解析　瓶子重力为40 N，处于静止状态，则瓶子受到的摩擦力大小等于其重力，为40 N，故A正确，B错误；当握力增大时，瓶子受到的重力不变，摩擦力不变，故C错误；当握力减小时，只要瓶子仍处于静止状态，则摩擦力大小不变，故D错误.
11.一物块m在水平力F拉动下，沿静止的水平传送带由左端匀速运动到右端，如图9甲所示，这时物块所受摩擦力为f1；现开动机械让传送带逆时针匀速传动，再次将同样的物块m由传送带的左端匀速拉动到右端，这时物块所受摩擦力大小为f2，如图乙所示.则f1、f2的大小关系满足(　　)

图9
A.f1＝f2
B.f1 C.f1>f2
D.上述三种情况都有可能
答案　A
解析　题图甲、乙两种情况下，物块受到的均是滑动摩擦力，f1＝f2＝μFN＝μmg.
12.某同学用如图10所示的装置测量放在粗糙水平桌面上的长金属板B与铁块A间的动摩擦因数，已知铁块A的质量m＝1 kg，用水平力F向左拉金属板B，使其相对于A向左运动，稳定时弹簧测力计示数如图1所示.则弹簧测力计示数为 N，A、B间的动摩擦因数μ＝ .(g取10 m/s2)

图10
答案　2.50　0.25
解析　从题图中知弹簧测力计示数为2.50 N，铁块A受到的弹簧测力计的拉力F′＝2.50 N，由于铁块A处于平衡状态，所以A受到的摩擦力f＝2.50 N.由f＝μmg得μ＝＝＝0.25.
13.如图11所示，一个M＝2 kg的物体放在固定的水平面上，物体与水平面间的动摩擦因数为μ＝0.2，用一条质量不计的细绳绕过轻质定滑轮和一个m0＝0.1 kg的小桶相连.已知M在水平面上受到的最大静摩擦力fmax＝4.5 N，滑轮上的摩擦不计，滑轮与M间的细绳水平，g取10 m/s2，求在以下情况中，M受到的摩擦力的大小：

图11
(1)只挂m0时；
(2)只挂m0，但在M上再放一个M′＝3 kg的物体时；
(3)只在桶内加入m1＝0.33 kg的砂子时；
(4)只在桶内加入m2＝0.5 kg的砂子时.
答案　(1)1 N　(2)1 N　(3)4.3 N　(4)4 N
解析　(1)绳子的拉力大小等于小桶的重力，因为m0g＝1 N (2)在M上再放一个M′＝3 kg的物体，M仍静止，故受静摩擦力f2＝f1＝1 N.
(3)此时绳子的拉力大小等于小桶和砂子的总重力，因为(m0＋m1)g＝4.3 N (4)此时小桶和砂子的总重力(m0＋m2)g＝6 N>fmax，故M处于运动状态，受到滑动摩擦力作用，则f4＝μFN＝μMg＝4 N.

14.如图12所示，当水平拉力为F＝40 N时，质量为m＝10 kg的木板可以在水平面上匀速前进，若在木板上再放一个质量为M的铁块，为使它们匀速前进，需施加的水平拉力为60 N，求铁块的质量M.(取g＝10 m/s2).

图12
答案　5 kg
解析　拉力F＝40 N时，由二力平衡得滑动摩擦力f＝40 N
木板对水平面的压力FN＝mg＝100 N，
由f＝μFN得，
动摩擦因数μ＝＝0.4.
当拉力F′＝60 N时，
木板对水平面的压力FN′＝(m＋M)g，
摩擦力f′＝60 N，
由f′＝μFN′
解得M＝5 kg.