人教版高中物理必修第一册第三章素养提升课(四)摩擦力的综合分析学案

这是一份人教版高中物理必修第一册第三章素养提升课(四)摩擦力的综合分析学案，共16页。

素养提升课(四)　摩擦力的综合分析1．进一步理解摩擦力的概念，会用条件法、假设法、状态法判断摩擦力的有无。2．会计算摩擦力的大小。3．掌握摩擦力突变问题的分析方法，能分析滑动摩擦力、静摩擦力的突变问题。 探究1　对摩擦力的理解1．对摩擦力的理解(1)静摩擦力：受静摩擦力的物体不一定静止，只是两物体接触面保持相对静止。例如，在倾斜传送带上匀速传送的物体，物体虽然运动，但受静摩擦力作用(如图1)。(2)滑动摩擦力：受滑动摩擦力的物体不一定运动，而是两物体发生相对滑动。例如，把A物体抽出来，B物体受到了滑动摩擦力却没有运动(如图2)。2．摩擦力的方向(1)静摩擦力的方向与物体的相对运动趋势方向相反。可利用假设法判断，即假设接触面光滑，物体跟与它接触的物体相对运动的方向就是相对运动趋势方向。例如，静止在斜面上的物体受到的静摩擦力的方向沿斜面向上(如图3)。(2)静摩擦力的方向有可能与物体运动方向成任意角度。例如，用手握住一根竖直棒，若使手与棒一起沿不同方向匀速运动，棒所受的静摩擦力竖直向上，而手与棒的运动方向可以是任意的，所以静摩擦力的方向与匀速运动中速度的方向可成任意夹角(如图4)。(3)滑动摩擦力的方向与物体相对运动方向相反，与物体运动方向无关。例如，快速把B向右拉离的过程中，A相对B向左运动，摩擦力向右，A却相对地面向右运动，摩擦力的方向与物体运动方向反而相同(如图5)。【典例1】　如图所示，一辆汽车在平直公路上向右行驶，车上有一木箱，试判断下列情况中木箱所受的摩擦力种类及摩擦力的方向，是阻力还是动力？(1)汽车由静止向右加速运动时(木箱和车无相对滑动)；(2)汽车刹车时(木箱和车无相对滑动)；(3)汽车匀速运动时(木箱和车无相对滑动)；(4)汽车刹车，木箱在车上滑动时；(5)汽车突然向右加速，木箱在车上滑动时。[解析]　(1)木箱随汽车一起由静止加速运动，假设二者的接触面是光滑的，则汽车加速时，木箱由于惯性要保持原来相对地面静止的状态，因此它将相对于汽车向左滑动，而实际上木箱与汽车无相对滑动，即相对静止，说明木箱有相对汽车向左滑动的趋势，所以木箱受到向右的静摩擦力，此静摩擦力为动力。(2)汽车刹车时，速度减小，假设木箱与汽车的接触面是光滑的，则木箱将相对汽车向右滑动，而实际上木箱没有滑动，说明木箱有相对汽车向右滑动的趋势，所以木箱受到向左的静摩擦力，此静摩擦力为阻力。(3)木箱随汽车一起匀速运动时，二者无相对运动或相对运动趋势，因而木箱不受摩擦力。(4)汽车刹车，木箱相对于汽车向右滑动，可知木箱受到向左的滑动摩擦力，此滑动摩擦力为阻力。(5)汽车突然向右加速，木箱相对于汽车向左滑动，可知木箱受到向右的滑动摩擦力，此滑动摩擦力为动力。[答案]　(1)静摩擦力　向右　动力　(2)静摩擦力　向左　阻力　(3)无摩擦力　(4)滑动摩擦力　向左　阻力　(5)滑动摩擦力　向右　动力[针对训练]1．如图所示，用传送带向上传送货物，货物和传送带之间没有相对滑动，则货物受到的摩擦力是(　　)A．静摩擦力，方向沿传送带向上B．静摩擦力，方向沿传送带向下C．滑动摩擦力，方向沿传送带向下D．滑动摩擦力，方向沿传送带向上A　[货物在传送带上有相对传送带向下滑动的趋势，但货物和传送带之间没有相对滑动，所以货物受到沿传送带向上的静摩擦力作用，A正确。]2．在中学秋季田径运动会上，李好同学奋力拼搏，勇夺男子100 m冠军，如图为该同学奔跑途中的两个瞬间，用Ff1、Ff2分别表示该同学在图甲、乙两瞬间所受到的摩擦力，则关于Ff1、Ff2的方向，以下说法正确的是(　　)A．Ff1向后，Ff2向后 B．Ff1向前，Ff2向前C．Ff1向前，Ff2向后 D．Ff1向后，Ff2向前C　[当该同学奔跑途中，后脚用力向后蹬，人才向前运动，正是由于地面给后脚一个向前的静摩擦力，使该同学能向前运动。而当前脚向前跨时，正是由于地面给前脚有个向后的静摩擦力，所以该同学不会向前滑动，所以前脚受到地面的向后的静摩擦力。] 探究2　摩擦力大小的计算1．首先分清摩擦力的性质，因为一般只有滑动摩擦力才能利用公式Ff＝μFN计算，静摩擦力通常只能根据物体的运动状态求解。2．公式Ff＝μFN中，FN为两接触面间的压力，与物体的重力没有必然关系，不一定等于物体的重力。3．滑动摩擦力的大小与物体速度的大小无关，与接触面面积的大小也无关。【典例2】　如图所示，用水平力F将一木块压在竖直墙壁上，已知木块重力G＝6 N，木块与墙壁间的动摩擦因数μ＝0.25，问：(1)当F＝25 N时，木块没有动，木块受到的摩擦力为多大？(2)当F增大为30 N时，木块仍静止，木块受到的摩擦力为多大？(3)当F＝10 N时，木块沿墙壁下滑，此时木块受到的摩擦力为多大？(4)当F＝6 N时，木块受到的摩擦力又为多大？[解析]　(1)当F＝25 N时，木块没有动，则木块在竖直方向上受到的重力和静摩擦力平衡，即f1＝G＝6 N。(2)当F增大为30 N时，木块仍静止，木块在竖直方向上仍然受重力和静摩擦力，且平衡，即f2＝G＝6 N。(3)当F＝10 N时，木块沿墙面下滑，此时木块受到的摩擦力为滑动摩擦力，在水平方向上，木块受的水平力F和墙壁的弹力平衡，则N＝F＝10 N，则f3＝μN＝0.25×10 N＝2.5 N。(4)当F＝6 N时，则此时N′＝6 N，木块沿竖直墙壁下滑，则滑动摩擦力f4＝μN′＝0.25×6 N＝1.5 N。[答案]　(1)6 N　(2)6 N　(3)2.5 N　(4)1.5 N[针对训练]3．(多选)如图所示，木块放在水平桌面上，在水平方向共受三个力，即F1、F2和摩擦力，木块处于静止状态，其中F1＝10 N，F2＝2 N，若撤去F1，下列说法正确的是 (　　)A．木块不再保持静止B．木块仍保持静止状态C．摩擦力的大小为2 N，方向水平向右D．摩擦力的大小为2 N，方向水平向左BC　[开始木块处于静止状态，水平方向上F1、F2和摩擦力三力平衡，摩擦力为静摩擦力，大小为8 N，方向水平向左，由此可猜测桌面与木块间的最大静摩擦力至少为8 N。撤去F1后，F2使木块有向左滑动的趋势，因F2<8 N，则木块不会滑动，仍保持静止状态；水平方向上F2和静摩擦力平衡，故此时所受摩擦力大小为2 N，方向水平向右，选项B、C正确。]4．如图所示，重为800 N的沙发放在水平地面上，体重600 N的小王至少要用96 N的水平力推沙发，才能使沙发从原地开始运动。沙发开始运动以后，小王用80 N的水平力推沙发，就可以使沙发保持匀速直线运动。以下说法正确的是(　　)A．沙发与地面之间的动摩擦因数为0.12B．若用90 N的水平力推这个静止的沙发，则此时沙发所受的摩擦力大小为80 NC．若用96 N的水平力推这个已经在运动的沙发，则此时沙发所受的摩擦力大小为96 ND．小王盘腿坐在沙发上，小李用140 N的水平力推已经在运动的沙发，可使小王和沙发保持匀速运动D　[由题意知用80 N的水平力推沙发，就可以使沙发保持匀速直线运动，由平衡条件得F＝μmg，解得沙发与地面之间的动摩擦因数为μ＝80800＝0.1，故A错误；由题意知至少要用96 N的水平力推沙发，才能使沙发从原地开始运动，即沙发与地面间的最大静摩擦力为96 N，所以若用90 N的水平力推这个静止的沙发，则此时沙发不动，所受的摩擦力大小与推力相等，即为90 N，故B错误；若用96 N的水平力推这个已经在运动的沙发，则此时沙发所受的摩擦力为滑动摩擦力，大小仍为80 N，故C错误；小王盘腿坐在沙发上，想使小王和沙发保持匀速运动，则小李需要的水平力为F′＝μ(M＋m)g＝140 N, 故D正确。] 探究3　摩擦力的突变问题当物体的受力情况发生变化时，摩擦力的大小和方向往往会发生变化，有可能导致静摩擦力和滑动摩擦力之间的相互转化。常见的摩擦力突变模型如下：【典例3】　把一重力为G的物体，用一个水平的推力F＝kt(k为恒量，t为时间)压在竖直的足够高的平整的墙面上，如图所示，则从t＝0开始，物体所受的摩擦力f随t的变化关系是下列选项图中的(　　)A　　　　　　　　BC　　　　　　　　DB　[选物体为研究对象，因为开始时推力为0，竖直方向上只有重力，物体在重力G作用下沿墙面下滑；当推力开始变大后，物体在竖直方向受到向上的滑动摩擦力作用；开始一段时间fG，物体向下做减速运动，直至速度减为0。在整个运动过程中，摩擦力为滑动摩擦力，大小为f＝μF＝μkt，即f与t成正比，在f-t图像上是过原点的直线。当物体速度减为0之后，滑动摩擦力突变为静摩擦力，其大小由平衡条件可知f＝G，所以物体静止后的图线为平行于t轴的直线，故选B。][针对训练]5．(多选)一个物体平放在水平面上，受到一个水平推力F的作用，如图所示。F的大小由零逐渐增大，直到物体刚要开始滑动。在这一过程中，以下关于静摩擦力的大小和方向的说法正确的是(　　)A．逐渐增大，当刚要开始滑动时达到最大静摩擦力B．大小不变，总为f＝μmgC．方向一直水平向左D．方向先向左后向右AC　[用力F推物体，在没推动前，物体受静摩擦力作用，静摩擦力的大小随F的增大而增大，方向与F方向相反。当F增大到能推动物体时，物体受到的摩擦力为滑动摩擦力，滑动摩擦力的大小f＝μN＝μmg，选项A、C正确，B、D错误。]6．(多选)如图所示，物体A放在水平桌面上，通过定滑轮用细线悬挂一个重为10 N的物体B，已知物体A与桌面间的最大静摩擦力为4 N。要使A静止，需加一水平向左的力F1，则力F1的取值可以为(　　)A．4 N B．6 NC．10 N D．18 NBC　[设细线对物体A的拉力为F2，由物体B平衡可知F2＝10 N，物体A静止受力平衡，物体A与桌面间的静摩擦力方向可以向左，也可以向右，当静摩擦力的方向向右时，F1有最大值，F1max＝fmax＋F2＝14 N，当静摩擦力的方向向左时，F1有最小值，F1min＝F2－fmax＝6 N，故6 N≤F1≤14 N，B、C正确，A、D错误。]素养提升练(四)1．(多选)关于摩擦力，有人总结了四条“不一定”，其中说法正确的是(　　)A．摩擦力的方向不一定与物体的运动方向相反B．静摩擦力的方向不一定与物体运动方向共线C．受静摩擦力的物体不一定静止，受滑动摩擦力的物体不一定运动D．静摩擦力一定是阻力，滑动摩擦力不一定是阻力ABC　[摩擦力的方向不一定与物体的运动方向相反，也可能与物体的运动方向相同，选项A正确；静摩擦力的方向不一定与运动方向共线，也可能与运动方向成一定角度，例如用手竖直握住瓶子，让瓶子水平移动，选项B正确；受静摩擦力的物体不一定静止，例如某物体货物在倾斜传送带上向高处运动时，货物受静摩擦力但不静止；受滑动摩擦力的物体不一定运动，例如某物体正在滑轨上滑行，滑轨受到滑动摩擦力，而滑轨是静止的，选项C正确；静摩擦力和滑动摩擦力都既可能是阻力，也可能是动力，选项D错误。]2．早期有两款自行车曾引起大家的注意。一款是将脚踏直接安在前轮上骑行，如图甲所示；另一款是无脚踏、链条，靠骑车者两脚在地上划着走，如图乙所示。下列关于这两款自行车在正常向前骑行过程中前后轮所受地面摩擦力方向的叙述中，正确的是(　　)A．甲图款前轮所受摩擦力向前，后轮所受摩擦力向后B．甲图款前轮所受摩擦力向后，后轮所受摩擦力向前C．乙图款前轮所受摩擦力向前，后轮所受摩擦力向后D．乙图款前轮所受摩擦力向后，后轮所受摩擦力向前A　[题图甲中前轮运动时有相对地面向后运动的趋势，则所受摩擦力向前，后轮有相对地面向前运动的趋势，则后轮所受摩擦力向后，选项A正确，B错误；题图乙前轮和后轮都有相对地面向前运动的趋势，所受摩擦力都是向后的，选项C、D错误。]3．滑块A和B叠放在传送带上，A被细线连于墙上。如果传送带逆时针转动，滑块A和B都相对于地面静止，则下列说法正确的是(　　)A．B受到水平向左的静摩擦力B．A受到水平向右的静摩擦力C．传送带的速度变为原来的2倍，A受到的摩擦力变为原来的2倍D．无论传送带的速度多大，B都不受摩擦力D　[B水平方向受力平衡，则B不受摩擦力，A错误；以A、B整体为研究对象，A、B整体相对于传送带向右运动，故A受到传送带向左的滑动摩擦力，B错误；滑动摩擦力的大小与相对速度无关，只与动摩擦因数和正压力有关，C错误；无论传送带速度为多少，B都不受摩擦力，D正确。]4．(多选)如图所示，位于斜面上质量为m的物块，在沿斜面向上的力F的作用下处于静止状态，则斜面作用于物块的静摩擦力(　　)A．方向可能沿斜面向上B．方向可能沿斜面向下C．大小不可能等于零D．大小可能等于FABD　[当F大于mg sin θ时，由于物块沿斜面方向受力平衡，则静摩擦力方向沿斜面向下；当F小于mg sin θ时，由于物块沿斜面方向受力平衡，则静摩擦力方向沿斜面向上，A、B正确；当F与物块重力沿斜面向下的分力相等时，摩擦力大小为零，故C错误。若F为物块重力沿斜面向下分力的一半时，则摩擦力等于F，故D正确。]5．如图所示，物体A的质量为1 kg，置于水平地面上，物体与地面间的动摩擦因数μ＝0.2，从t＝0开始，物体以一定的初速度v0向右滑行的同时，受到一个水平向左、大小恒为F0＝1 N的作用力，则反映物体受到的摩擦力f随时间变化的图像正确的是(取向右为正方向，g取 10 N/kg)(　　)A　　　　　　　　　　　BC　　　　　　　　　　　DC　[物体A向右滑动时，受到地面向左的滑动摩擦力，由f1＝μmg得f1＝2 N；物体速度为零后，受到向左的拉力F0＝1 N