3.3摩擦力 讲义 -2024-2025学年高一上学期物理鲁科版（2019）必修第一册

课题： 第四章 第3课时 摩擦力 课时安排：1课时 课标要求： 知道滑动摩擦和静摩擦现象，能用动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小。 教学目标 1.知道滑动摩擦力的概念及其产生的条件，通过实验探究影响滑动摩擦力的因素，渗透科学思维，培养动手操作能力； 2.通过动手实验认识静摩擦力的规律，会计算静摩擦力的大小，培养学生分析问题会归纳能力； 3.能够利用所学的知识解决生活中的实际问题，说明生活生产中应用摩擦力的实例，培养理论联系实际的能力，体会物理与生活的联系。 教学重点：滑动摩擦力大小的计算以及方向的判断；静摩擦力的有无的判断以及产生的条件和规律； 教学难点：静摩擦力的有无的判断以及方向的判断； 教学方法：讲授法、实验法、讨论法 教具等教学辅助手段： 多媒体展示、教师演示实验 教学过程： 一、导入新课 师：同学们，今天我们要来学习本章第三节的内容——摩擦力。那么老师想请同学们先观看一段花样滑冰表演视频。我们看到运动员用力一滑，能够滑得很远，如果让运动员在泥地上滑滑看，也能滑的远吗？显然不行，那为什么在冰面上就能够滑的远，在泥地上就不行呢？ 生：这是由于摩擦力，在泥地上摩擦力大，所以滑不动。 师：是的。因为在泥地上的摩擦力比较大。其实摩擦力在我们生活中无处不在。大家能举几个与摩擦力有关的生活例子吗？ 生1：自行车刹车就有摩擦力。 生2：用橡皮擦去铅笔字也有摩擦力。 师：是的。生活中处处都有摩擦力，那么摩擦力是怎样产生的？又有哪些特点呢？这节课我们就来学习与摩擦力有关的内容。大家在初中时已经学习过摩擦力了，两个相互接触的物体发生相对运动或者具有相对运动趋势时，就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力，也就是摩擦力，它跟之前学习过的重力与弹力一样，也是根据产生原因命名的，也是性质力。人们根据摩擦力产生的不同机理，将摩擦力分为滑动摩擦力、静摩擦力以及滚动摩擦力等几种类型，今天我们主要来研究滑动摩擦力和静摩擦力。 二、新课教授 1、滑动摩擦力 （1）定义及产生条件 师：首先我们来学习滑动摩擦力。生活中处处都有滑动摩擦力。比如滑冰运动员如果不再用力向前滑，最终会在冰面上滑行一段距离后停下；再比如，现在讲台桌上固定一张粗糙的磨砂纸，我在这个盒子和磨砂纸之间放一张纸，盒子一半与磨砂纸接触，现在我缓慢抽出这张纸时，我的手必须持续用力才能抽出纸，而且大家有没有发现抽纸的同时盒子会跟着纸片移动一段距离。这些现象都是因为有滑动摩擦力，物理学中，当两个彼此物体彼此接触和挤压，并发生相对运动时，在接触面上产生的一种阻碍相对运动的力就叫做滑动摩擦力。从定义中我们可以很容易看出滑动摩擦力产生的条件，大家能自己归纳一下吗？ 生：两个物体接触并挤压；有相对运动。 师：很好！首先两个物体必须相互接触，不仅如此，两个物体还要有挤压，比如我在这边写一个“力”，把黑板擦轻轻放在这个字上方，不施加任何压力，黑板擦被释放后虽然与黑板有接触，但是却没有把字擦掉，说明此时没有产生滑动摩擦力，我必须用力压黑板擦才能擦掉这个字。其次还要有相对运动，注意这个“相对”，如果两个相互接触的物体是以同样的速度一起运动，那么它们之间就不会有滑动摩擦力了。那大家不要忘了产生摩擦力的一个重要的条件就是接触面是粗糙的。所以总结一下滑动摩擦力的产生条件就包括：接触、挤压、相对运动、接触面粗糙。 （2）方向 师：接下来我们从力的三要素来研究滑动摩擦力。首先是作用点，滑动摩擦力的作用点在哪里呢？对了，从定义中也可以看出来，它的作用点在接触面上。那么滑动摩擦力的方向是怎样的呢？请同学们把手掌压在桌面上，用不同的压力去移动手掌，有没有感受到滑动摩擦力的存在？它的方向朝那个方向？ 生：有，方向与手的运动方向相反。 师：没错，此时滑动摩擦力的方向与手的运动方向相反，它在阻碍手向前运动。那滑动摩擦力的方向一定与物体的运动方向相反吗？一定是阻力吗？我们来看，在刚才的演示实验中，我用手去拉压在盒子下的纸片，盒子也跟着纸片向左运动了，这时候盒子受到纸片给它的滑动摩擦力方向朝哪里？大家注意，盒子向左运动说明一定受到了向左的动力，而在水平方向上它受到了磨砂纸给它的向右的滑动磨摩擦力，这个力是阻力，那么纸片给它的滑动摩擦力应该是向左的，这个力就是使盒子向左运动的动力，方向是跟牛奶瓶的运动方向相同的。所以滑动摩擦力不一定是阻力，也可能是动力。滑动摩擦力的方向也不是与物体运动方向相反，而是与接触面相切，与相对运动方向相反，所谓相对运动方向就是受力物相对于施力物的运动方向，比如在这里受力物盒子虽然在向左运动，但是施力物纸片向左运动的更快，所以盒子相对于纸片是向右运动的，那么纸片给盒子的滑动摩擦力便是向左的。又由于压力是垂直与接触面，所以与接触面相切就是与压力相垂直。那如果我现在压住盒子，使得在抽出纸片时盒子仍能够静止在原处，这个时候牛奶瓶有受到纸片给它的滑动摩擦力吗？ 生：有，盒子与纸片有相对运动。 师：对了，虽然盒子相对地面静止，但是其相对于纸片是向右运动的，所以仍然会受到纸片给它的向左的滑动摩擦力。所以静止的物体也可能受到滑动摩擦力，这里我们所说的静止通常是指相对于地面静止。 （3）探究影响滑动摩擦力大小的因素 师：那么为什么不同情境下的滑动摩擦力大小会有所不同呢？为什么在冰面上脚容易打滑而在泥地上就不会了呢？为什么用黑板擦擦黑板时越用力压黑板擦，擦的越快越干净？这就需要我们去研究滑动摩擦力的大小究竟与什么因素有关了。大家回想一下，刚才你们用不同的压力去移动手掌时，有什么感受？ 生：压力越大，手掌就越难移动，说明产生的滑动摩擦力越大。 师：对了，会感觉压力越大，手掌就越难移动，说明产生的滑动摩擦力越大。这说明滑动摩擦力的大小与两个物体间的压力大小有关，还有呢？还有可能与什么因素有关呢？ 生猜想：粗糙程度，速度等。 师：那么如果我们只研究滑动摩擦力与其中一个因素的关系，那其他因素该怎么处理？ 生：控制其他因素不变。 师：对！要采用控制变量法。其实初中我们已经定性地研究过滑动摩擦力与接触面粗糙程度以及压力大小之间的关系，我们是利用二力平衡时物体保持静止或匀速直线运动的原理，让物体做匀速直线运动，此时拉力与滑动摩擦力平衡，弹簧测力计的拉力大小就等于滑动摩擦力的大小。我们发现在其他条件相同时，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大；在其他条件相同时，压力越大，滑动摩擦力越大。今天我们要来进一步探究滑动摩擦力与压力之间的定量关系。 师：探究这个问题就要知道如何测出压力和滑动摩擦力。左边的图是本次实验的装置图，为什么是采用这种装置，而不是右边这种呢？这是因为右边这种装置要保持二力平衡，就需要时刻保持物块是匀速运动的，很难控制，误差也比较大。而左边这种装置，通过拉动底下的木板来产生滑动摩擦力，而物块与地面始终相对静止，时刻满足二力平衡，物块受到的弹簧测力计的拉力与木板给它的滑动摩擦力应该是时刻相等，弹簧测力计的读数就等于滑动摩擦力的大小了。我们可以保持其他条件不变，通过增加砝码的方式改变压力大小，那么压力的大小就等于物块的重力加上所加的砝码的重力。由于时间关系，我们就不当场做实验，我给大家看一组我课下实验的实验数据，大家观察数据，滑动摩擦力与压力有什么关系？ 压力/N 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 滑动摩擦力/N 0.22 0.33 0.43 0.55 0.66 0.22 0.22 0.22 0.22 0.23 生：随着压力的增大，滑动摩擦力的大小增大。 师：对了，实验结果表明随着压力的增大，滑动摩擦力的大小增大，但是滑动摩擦力与压力大小的比值几乎不变，我们可以认为滑动摩擦力的大小与压力的大小成正比，我们将它们的比例系数称为μ，也叫动摩擦因素，因此我们可以得到滑动摩擦力的计算公式：。其中的动摩擦因素与接触面的粗糙程度和材料有关，大家可以看课本72页上方的表格，可以看到不同材料间的动摩擦因素是不一样的。 2、静摩擦 （1）静摩擦力 师：课上到这里，我看大家都有点疲惫。那么现在我给大家表演一个魔术，同学们看我手上有一个纸盒，我用一根细线穿过纸盒，并在细线两端分别系上一个锁头和一个塑料瓶盖，这锁头要比塑料瓶盖重很多。现在我用手提起锁头，让塑料瓶盖自然垂下，大家猜纸盒会怎么样？对了，纸盒不出所料地自由滑下。那如果我换成手提塑料瓶盖，让锁头自然垂下，纸盒还会自由滑下吗？我们来试看看。我们发现纸盒悬在空中不动，这是为什么呢？我们先来看纸盒里的奥秘，其实啊在纸盒里有一个弯曲的吸管，细线是通过吸管穿过纸盒的，那这个细管有什么神奇之处呢？这就要涉及到我们待会要讲的静摩擦力。 师：静摩擦力在生活中很常见，比如现在我要推动这个讲台桌，我在手与桌子之间加一个海绵，海绵发生形变就说明我的手真的有给桌子施加推力，此时桌子与地面接触，我能明显感觉到有一个力阻碍桌子向前运动，这个力就是摩擦力。现在我们从二力平衡的角度来分析这个问题，桌子处于静止状态，说明桌子受力平衡，我对桌子有一个向前的推力，那么桌子要处于平衡状态就必须有一个与推力相平衡的力，这个力就是摩擦力，那这个摩擦力是滑动摩擦力吗？显然不是，因为桌子与地面是相对静止的，不满足滑动摩擦力的产生条件，所以这个摩擦力我们称之为静摩擦力。在物理学中，当两个彼此接触、挤压的物体之间没有发生相对运动，但具有相对运动趋势时，接触面上会产生一种阻碍相对运动趋势的力，这种力叫做静摩擦力。 （2） 产生条件 师：那么静摩擦力的产生需要什么条件呢？既然同样是摩擦力，刚才我们学习了滑动摩擦力，我们就可以将滑动摩擦力与静摩擦力对比，得到静摩擦力的产生条件。大家先回顾一下滑动摩擦力的产生条件是什么？ 生：接触、挤压、接触面粗糙、相对运动。 师：很好，两物体之间要有接触、挤压和相对运动，同时接触面是粗糙的。我们类比滑动摩擦力，首先两者都是摩擦力肯定要有接触面粗糙的条件，再观察静摩擦力的定义，发现静摩擦力的产生也需要接触、挤压，但是物体之间并没有相对运动，那是不是只需要前三个条件就可以呢？ 师：大家看，现在我对这个粉笔盒施加一个推力，但是没有推动，当我加大推力后，粉笔盒就被推动了，说明虽然刚才粉笔盒没有被推动，但是它其实是想向前运动的，也就是粉笔盒与桌面之间有相对运动的趋势，只不过是受到静摩擦力的阻碍而没有运动。这就是静摩擦力产生的一个重要条件，物体之间要有相对运动趋势。所以我们就可以总结出静摩擦力产生的条件：接触、挤压、接触面粗糙以及物体间有相对运动趋势。以上的四个条件，缺一不可。 （3）方向 师：我们同样从力的三要素来研究静摩擦力。首先是作用点，从定义中也可以看出来，它的作用点在接触面。那么静摩擦力的方向怎么判断呢？对比滑动摩擦力的方向是与相对运动方向相反，那静摩擦力的方向就是与相对运动趋势的方向相反。因此相对运动趋势方向是判断静摩擦力方向的关键。但是由于物体之间没有实际的相对位置的改变，就不太容易判断相对运动的趋势，下面我们来学习一种判断相对运动趋势方向的方法，叫做假设光滑法。 师：相对运动趋势的方向，它是指假设接触面光滑时，物体将要发生的相对运动的方向。比如刚才我向右推粉笔盒，如果桌面是光滑的，粉笔盒就会因此向右运动，但是由于接触面是粗糙的，因为静摩擦力的存在，使得粉笔盒相对于桌面想向右运动却没有运动，因此我们说它有向右的相对运动趋势，那么粉笔盒受到的静摩擦力的方向就是向左的。 （4）大小 师：静摩擦力的方向搞清楚了，接下来我们来研究静摩擦力的大小。它还能通过滑动摩擦力的计算公式得出吗？刚才我用力推粉笔盒，但是没有推动，此时粉笔盒在水平方向受到的静摩擦力与我给它的推力平衡，随着我手的推力越来越大，粉笔盒还是没有推动，这就说明静摩擦力也在增大才能与推力平衡，所以不能用滑动摩擦力的公式计算，应该用力的平衡来分析。也正是因为静摩擦力和滑动摩擦力的大小计算遵循的规律不同，大家计算摩擦力时一定要先判断是什么摩擦力，也就是明确物体之间是否发生相对运动，再进行计算。 师：那么静摩擦力会无限增大吗？如果我慢慢增大推力，静摩擦力随之增大，当增大到某一值时，粉笔盒就开始相对桌面滑动了，相对运动趋势变成了相对运动，静摩擦力变成了滑动摩擦力。可见在这一过程中静摩擦力增大到一定限度时就不再增加，这个限度我们也称之为最大静摩擦力，记作，它在数值上就等于物体刚开始运动的瞬间的推力。而静摩擦力的范围就应该为。所以当推力大于最大静摩擦力后，物体才开始运动。 师：实验也表明，最大静摩擦力与两个物体间的压力成正比，，表示最大静摩擦因素，它也与接触面的粗糙程度和材料有关。 师：好，学习完静摩擦力，有同学能告诉我为什么锁头在下时，纸盒会静止不动吗？我们一起来分析看看，首先当轻的塑料瓶盖自然下垂时，细线处于松弛的状态，细线跟吸管和纸盒小孔之间几乎无挤压，产生的摩擦力很小，纸盒受到重力就会下滑，但是当我让重的锁头下垂时，细线紧绷，会对弯曲的吸管产生很大的压力，所以最大静摩擦力也很大，纸盒受到的重力由于小于最大静摩擦力就没办法下滑，此时纸盒将受到与重力相平衡的静摩擦力。大家回去可以好好再思考这个原理。 3、改变摩擦力大小的方法 师：那么摩擦力到底是利还是弊？有什么生活中的例子可以讲讲？ 生1：摩擦力是不利的，比如拉地上的重物就是因为有摩擦力所以不好拉… 生2：摩擦力也有的是有利的，没有摩擦力我们就走不了路了… （学生热烈讨论。） 师：看大家举了那么多例子，可以看出摩擦力既有利也有弊，那么生活中我们就要去增大有益的摩擦力，减小有害的摩擦力。根据摩擦力的相关知识，我们可以总结出调控摩擦力的方法。要想增大有益摩擦力，可以增大压力或者增大接触面粗糙程度，比如在北方下大雪时，地面结冰就会使得车辆行驶时容易打滑，造成事故，所以人们在车轮上安上防滑链，通过增大接触面粗糙程度来增大摩擦力。相反地，减小有害摩擦力的方法有减小压力或者减小接触面粗糙程度。比如磁悬浮列车就是靠强磁场把列车从轨道上微微托起，在列车与轨道间形成一薄层空气，减小接触面粗糙程度，使得摩擦力大大减小，提高运行速度。除此之外也可以利用滚动摩擦力，因为滚动摩擦力是物体沿另一物体表面滚动时产生的摩擦力，它比最大静摩擦力和滑动摩擦力要小得多。不过虽然我们可以通过各种方法来减小摩擦力，但是却不可能完全消除摩擦力的。摩擦力与生活息息相关，大家回去注意观察身边的事物，体会摩擦力知识在生活中的应用。 师：今天的课就上到这里，这节课我们对静摩擦力的学习是比较基础的，下节课我们将进一步学习静摩擦力方向的判断以及大小的计算。那么请大家回去记得完成相关的练习。 板书设计 指导老师意见： 课后自我反思： 学科网（北京）股份有限公司 $$