内容正文:
3 摩擦力
第三章 相互作用
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第三章 相互作用
物理·必修 第一册(配JK版)
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目
录
预习案
01
探究案
02
知能达标训练
04
CONTENTS
提升案
03
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第三章 相互作用
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预习案 必备知识·问题导学
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相对
相对
相对运动
正比
动摩擦因数
材料
粗糙程度
无关
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二、认识静摩擦力
阅读教材,并回答:
1.在教材图336中,人用力向右推放于水平地面上的箱子,箱子没动。箱子为何没有向右运动?是什么力阻碍了它的运动?该力的方向向哪?
答:因受到向左的静摩擦力。
2.在教材图338所示实验中
(1)物块静止不动时,随着外力的增大,静摩擦力大小变化吗?根据是什么?
答:变化。由二力平衡知静摩擦力和拉力大小相等。
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第三章 相互作用
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(2)物块开始移动时弹簧测力计的示数有何特点?
答:弹簧测力计的示数最大。
(3)若在物块上增加砝码,物块移动之前,静摩擦力的大小还等于弹簧测力计的拉力吗?物块开始移动时弹簧测力计的示数和放砝码之前木块开始移动时弹簧测力计的示数相同吗?
答:等于。不相同。
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相对运动
相对运动
相对运动
相对运动
0与最大静摩擦力
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探究案 关键能力·互动探究
02
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(1)木块被拉动前受到的是静摩擦力,拉动后还是静摩擦力吗?拉动后受到的摩擦力多大?
答:不是。3.8 N
(2)在木块上添加重物,即增大木块对木板的压力时,摩擦力如何变化?
答:变大。
(3)在木板上铺一块较粗糙的毛巾,木块受到的摩擦力如何变化?
答:变大。
2.静止的物体可以受滑动摩擦力吗?
答:可以。
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提升案 随堂演练·基础落实
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知能达标训练
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第三章 相互作用
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[学业要求与核心素养]
物理观念
1.知道滑动摩擦力和静摩擦力的概念及产生条件
2.知道影响滑动摩擦力大小的因素,知道动摩擦因数
3.知道最大静摩擦力
科学思维
1.会分析、判断摩擦力的有无及方向
2.会计算摩擦力的大小
一、认识滑动摩擦力
阅读教材,并回答:
1.感受滑动摩擦力
把手掌压在桌面或其他物体的表面,在大小不同的压力下向前平移手掌。通过比较,感受滑动摩擦力的大小与哪些因素有关?
答:与压力和接触面的材料有关。
2.试分析教材《讨论交流》。
[概念·规律]
1.定义:两个物体相互接触并挤压,当它们沿接触面发生________滑动时,在每个物体的接触面上都会受到对方施加的阻碍________运动的力,这种力叫作滑动摩擦力。
2.方向:总是沿着接触面,并且跟物体____________的方向相反。
3.大小:f=μN,即滑动摩擦力的大小跟压力的大小成________。式中μ为______________,没有单位,它的数值跟相互接触的两个物体的________和接触面的____________有关。与物体的受力情况、运动状态、接触面积大小________,通常情况下μ小于1,但也有大于1的情况。
[概念·规律]
1.定义:两个相互接触的物体,当它们之间只有____________趋势,而没有____________时,物体间的摩擦力叫作静摩擦力。
2.方向:总是沿着接触面,跟物体____________趋势的方向相反。
3.大小
(1)最大静摩擦力:静摩擦力的增大有一个限度,物体间即将开始____________时的摩擦力。
(2)静摩擦力大小范围:物体间实际产生的静摩擦力在____________________之间。
探究点一 滑动摩擦力
[交流讨论]
1.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,如图所示。
当拉力增大到4 N时,木块开始移动,此时拉力突然变小到3.8 N,拉力保持3.8 N不变,此后木块匀速运动。
3.如图所示,在竖直墙面上,如果物块在恒力F的作用下沿粗糙的竖直墙面下滑,物块的质量增大,摩擦力增大吗?
答:摩擦力不变。
[归纳总结]
1.滑动摩擦力的产生条件
两物体eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(①接触面粗糙,②相互挤压,③有相对运动滑动))缺一不可
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。
质量是3 kg的物体放在水平地面上,用F1=6 N的水平拉力拉该物体时,恰好使物体做匀速直线运动,如图甲,已知g=10 N/kg,求:
(1)物体与地面之间的动摩擦因数;
(2)若对物体施加一竖直向下的作用力F2=30 N,如图乙,当物体在地面上滑动时,所受滑动摩擦力多大?
[解析] (1)物体做匀速运动,则f1=F1=6 N,
根据f1=μN1=μmg,得μ=0.2。
(2)当加竖直向下的力F2时,物体对地面的压力
N2=F2+mg=60 N
所以物体所受摩擦力为f2=μN2=12 N。
[答案] (1)0.2 (2)12 N
●名师点拨
本题中当加竖直向下的作用力F2后,物体对地面的压力不再是mg,故摩擦力大小不是μmg。由此可以看出物体与地面之间的滑动摩擦力不一定等于μmg。
1.质量为5 kg的木块放在水平地面上,在拉力F=30 N的作用下向前加速运动,已知木块与地面间的动摩擦因数为0.5,求:
(1)木块在力F作用下加速运动时所受地面的滑动摩擦力;
(2)撤去力F后,木块仍向前运动时所受地面的滑动摩擦力。
解析 (1)物体所受地面的滑动摩擦力f=μN=μmg=25 N。
(2)撤去力F后物体所受地面滑动摩擦力不变,仍为25 N。
答案 (1)25 N (2)25 N
探究点二 静摩擦力
[交流讨论]
1.如图所示,货物被一倾斜传送带匀速送到高处,且货物和传送带相对静止。由此可讨论:
(1)运动的物体可以受到静摩擦力作用吗?
答:可以。
(2)静摩擦力一定是阻力吗?
答:不一定。
2.如图所示,手握住瓶子处于静止状态,请判定瓶子所受静摩擦力的方向,如果手的握力增大,瓶子所受静摩擦力会不会增大,为什么?
答:不会,因为静摩擦力的大小等于重力。
[归纳总结]
1.静摩擦力产生的条件
两物体eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(①接触面粗糙,②相互挤压,③相对静止且有相对运动趋势))缺一不可
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)与物体运动的方向可能相同,也可能相反。
3.静摩擦力的大小
(1)大小的范围:0<f静≤f静max。
(2)计算:物体处于平衡状态(匀速运动或静止)时,根据二力平衡条件求解。
(3)最大静摩擦力f静max略大于滑动摩擦力,一般情况下,为分析问题方便,可认为二者相等。
如图是一款手动轮椅,该轮椅共有4个轮子,人用双手推动手轮圈,轮椅向前运动。关于地面对4个轮子的摩擦力,下列说法正确的是( )
A.前轮、后轮受到的摩擦力都向前
B.前轮、后轮受到的摩擦力都向后
C.前轮受到的摩擦力向前,后轮受到的摩擦力向后
D.前轮受到的摩擦力向后,后轮受到的摩擦力向前
[解析] 后轮是主动轮,前轮是从动轮,后轮受到的摩擦力是静摩擦力,摩擦力方向向前,前轮受到的摩擦力也是静摩擦力,摩擦力方向向后。
[答案] D
如图所示,在水平力F作用下,重为G的物体沿墙壁向下滑动。若物体与墙之间的动摩擦因数为μ,则物体受到的摩擦力大小为( )
A.μF
B.μG
C.μ(F+G)
D.G
[解析] 由题意可知物体沿竖直墙壁下滑,则受到滑动摩擦力,则有Ff=μFN=μF,故A正确,B、C错误;不知物体是否匀速下滑,摩擦力与重力关系无法确定,故D错误。
[答案] A
[变式]
1.(多选)若在例题中,在水平力F作用下,重为G的物体沿墙壁向下滑动。若物体与墙之间的动摩擦因数为μ,则物体沿墙壁匀速下滑时受到的摩擦力大小为( )
A.μF
B.μG
C.μ(F+G)
D.G
答案 AD
2.(多选)若在例题中,质量为m的物体靠在粗糙竖直的墙壁上,且受到水平力F的作用,下列说法正确的是( )
A.若物体沿墙壁向下运动,则墙壁对物体的摩擦力大小一定为μmg
B.若物体静止,当F增大时,物体受到的静摩擦力仍不变
C.若物体与墙壁间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g,则撤去F后,物体受到的滑动摩擦力大小等于μmg
D.若撤去F,物体沿墙壁下滑时,物体不受滑动摩擦力的作用
解析 当物体沿墙壁向下运动时,墙壁对物体的摩擦力为滑动摩擦力,其大小为f=μFN,不一定等于μmg,A错误;若物体静止,当F增大时,物体受到的静摩擦力一直与物体的重力平衡,方向一直竖直向上,B正确;若物体与墙壁间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g,则撤去F后,物体沿墙壁下滑时,竖直墙面对物体没有弹力,则竖直墙面对物体没有滑动摩擦力,D正确,C错误。
答案 BD
3.如图所示,把一重为G的物体,用一水平方向的推力F=kt(k为恒量,t为时间)压在竖直的足够高的平整墙上,从t=0开始物体所受的摩擦力Ff随t的变化关系是下图中的( )
解析 物体在竖直方向上只受重力G和摩擦力Ff的作用,由于Ff从零开始均匀增大,开始一段时间Ff<G,物体加速下滑;当Ff=G时,物体的速度达到最大值;之后Ff>G,物体向下做减速运动,直至减速为零。在整个运动过程中,摩擦力为滑动摩擦力,其大小为Ff=μFN=μF=μkt,即Ff与t成正比,是一条过原点的倾斜直线。当物体速度减为零后,滑动摩擦力突变为静摩擦力,其大小Ff=G,所以物体静止后的图线为平行于t轴的直线,故选B。
答案 B
●规律总结 静摩擦力方向的确定方法
(1)由运动趋势方向确定。
①首先确定物体的运动趋势方向。
a.可用假设法确定运动趋势方向:假设接触面光滑,物体向哪个方向运动,则物体有向该方向运动的趋势。
b.由物体所受平行接触面方向外力确定运动趋势方向:运动趋势方向与物体所受平行接触面方向的外力的方向相同。
②由运动趋势方向确定静摩擦力的方向。
静摩擦力的方向与运动趋势方向相反。
(2)由物体的状态确定。
由物体所处的状态,根据二力平衡条件或牛顿第二定律(第四章将要学习)确定静摩擦力方向。
2.如图所示,一个M=2 kg的物体放在水平面上,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定滑轮和一个m0=0.1 kg的小桶相连。已知M的最大静摩擦力Fmax=4.5 N,滑轮上的摩擦不计,g=10 N/kg,求在以下情况中,M受到的摩擦力的大小:
(1)只挂m0,处于静止状态时;
(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。
解析 (1)因为m0g=1 N<fmax,M处于静止状态,所以受静摩擦力作用,由二力平衡得f1=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=m0g=1 N。
(3)因为(m0+m1)g=4.3 N<Fmax,故M处于静止状态,所受静摩擦力f3=(m0+m1 )g=4.3 N。
(4)因为(m0+m2)g=6 N>fmax,故物体M运动,受到滑动摩擦力作用,由公式知f4=μN=μMg=4 N。
答案 (1)1 N (2)1 N (3)4.3 N (4)4 N
探究点三 动摩擦因数的测量
实验方案及结论
方案
原理和步骤
结论
利用
砝码
和弹
簧测
力计
如图所示,向砝码盘C内加减砝码,轻推铁块P,使其恰好能在水平木板B上向左匀速滑动,铁块P处于动态平衡状态。用弹簧测力计测出P和C受到的重力GP和GC,则P所受的滑动摩擦力f=GC,可求出P、B间的动摩擦因数
μ=eq \f(GC,GP)
利用
木板
和弹
簧测
力计
(拉
铁块)
如图所示,使木板静止在水平桌面上,用手通过弹簧测力计向右拉铁块P,使铁块P向右匀速运动,读出此时弹簧测力计的读数F,F等于铁块P所受的滑动摩擦力f,再用弹簧测力计测出铁块P的重力,由平衡条件可知,N=GP,且f=μN(此方案理论上可行,但在操作中很难保证P匀速前进)
μ=eq \f(F,GP)
利用
木板
和弹
簧测
力计
(拉
木板)
如图所示,在水平力F′作用下,只要使木板A相对木块B滑动(做匀速或变速直线运动都可),就可由弹簧测力计的读数得到A、B间的滑动摩擦力f,再用弹簧测力计测出木块B受到的重力GB,即可由f=μGB求出动摩擦因数μ。(此方案只要求A相对B沿直线滑动即可,切实可行)
μ=eq \f(Ff,GB)
甲、乙两同学做测定木板与铁块之间的动摩擦因数的实验时,设计了甲、乙两种方案:
方案甲:木板固定,用弹簧测力计拉动铁块,如图甲所示;
方案乙:铁块通过弹簧测力计与墙连接,用手拉动木板,如图乙所示。
实验器材有:弹簧测力计、木板、质量为400 g的铁块、细线、质量为200 g的配重若干。(g=10 m/s2)
(1)上述两种方案你认为更合理的方案是_______(选填“甲”或“乙”)。
(2)某同学在铁块上加上配重,改变铁块对木板的正压力,记录了实验数据如表所示:
实验次数
1
2
3
4
5
配重(个数)
0
1
2
3
4
弹簧测力计读数/N
1.00
1.50
2.00
2.20
3.00
请根据上述数据在图中画出铁块所受摩擦力Ff和压力FN的关系图像;由图像可求出木板和铁块间动摩擦因数是____________________。
[思路引导] 解答本题应注意以下两点:
(1)滑动摩擦力的大小与相对滑动速度无关,拉动长木板的速度无论均匀还是不均匀,测力计上的读数都是稳定的。
(2)在用弹簧测力计测动摩擦因数时,两物体间的摩擦力不宜过大,保证两物体间的摩擦力不超过弹簧测力计的测量范围。
[解析] (1)甲中铁块在弹簧测力计作用下不易控制它一直做匀速直线运动,弹簧测力计的示数也不稳定,而乙中拉动的是木板,木板运动的速度不影响摩擦力的大小,稳定时弹簧测力计与铁块相对于地面静止,此时读数更准确,故更合理的方案是乙。
(2)由表中数据可画出摩擦力与正压力间的关系图像如图所示:
由f=μN可知,图像的斜率等于木板和铁块间的动摩擦因数:μ=eq \f(2,8)=0.25。
[答案] (1)乙 (2)图见解析 0.25
3.某同学用图(a)所示的装置测量木块与木板之间的摩擦因数。跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连,滑轮和木块之间的细线保持水平,在木块上放置砝码。缓慢向左拉动水平放置的木板,当木块和砝码相对桌面静止且木板仍在继续滑动时,弹簧秤的示数即为木块受到的滑动摩擦力的大小。某次实验所得数据在表中给出,其中f4的值从图(b)中弹簧秤的示数读出。
砝码的质量m/kg
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
滑动摩擦力f/N
2.15
2.36
2.55
f4
2.93
回答下列问题:
(1)f4 =____________N;
(2)在图(c)的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出fm图线;
(3)f与m、木块质量M、木板和木块之间的滑动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式f =_________,fm图线(直线)的斜率的表达式k=________;
(4)取g=9.80 m/s2,由绘出的fm图线求得μ=____________。(保留2位有效数字)
解析 (1)从图b读出f4 = 2.75 N。
(2)根据数据描点连线。
(3)木块受到的摩擦力可表达为f=μ(m+M)g=μmg+μMg,所以图像的斜率表示为μg。
(4)木块受到木板给的滑动摩擦力的大小f=μ(m+M)g,从图表中可以观察当m每增加0.05 kg,摩擦力f增加0.2 N,故可见f与砝码的质量成正比,故本题中木块的质量为近似0,图像与纵轴的截距为μMg,图像近似过原点,M近似为0,代入相关参数可得μ=0.4。
答案 (1)2.75 (2)见解析图 (3)μ(M + m)g μg (4)0.40
1.(滑动摩擦力)如图所示,一只猫在桌边猛地将桌布从鱼缸下拉出,鱼缸最终没有滑出桌面;若鱼缸、桌布、桌面两两之间的动摩擦因数均相等,则在上述过程中( )
A.鱼缸受到的摩擦力方向始终不变
B.鱼缸受到的摩擦力大小始终不变
C.若猫增大拉力,桌布对鱼缸的摩擦力增大
D.若猫增大拉力,桌面对鱼缸的摩擦力增大
解析 桌布向右拉出时,鱼缸相对于桌布有向左的运动,故鱼缸受到的摩擦力向右,而当鱼缸与桌布脱离后鱼缸在桌面上滑动时,鱼缸相对于桌面有向右的运动,故鱼缸受到的摩擦力向左最后停止,A错误;由于鱼缸与桌布,以及鱼缸与桌面之间的摩擦都是滑动摩擦,大小都为f=μFN,FN =mg且鱼缸、桌布、桌面两两之间的动摩擦因数均相等,则鱼缸受到的摩擦力大小始终不变,B正确;鱼缸受到的摩擦力为滑动摩擦力,其大小与拉力无关,只与正压力和动摩擦因数有关,因此增大拉力时,摩擦力不变,C、D错误。
答案 B
2.(多选)(静摩擦力)某同学利用图甲所示装置研究摩擦力的变化情况。实验台上固定一个力传感器,传感器用细线拉住质量为1 kg的物块,物块放在粗糙的质量为2 kg的长木板上。假设水平向左拉木板的力F′随时间均匀增加,传感器记录的示数F随时间t变化的图像如图乙所示,取重力加速度大小g= 10 m/s2。下列说法正确的是( )
A.长木板一直保持静止状态
B.物块所受滑动摩擦力随时间t增大
C.物块所受最大静摩擦力为7 N
D.物块与长木板间的动摩擦因数为0.6
解析 当传感器保持6 N不变时,物块受到滑动摩擦力,长木板开始运动,滑动摩擦力的大小不变,选项A、B错误;由图像可知,物块所受最大静摩擦力为7 N,选项C正确;根据滑动摩擦力公式得μ=eq \f(F,N)=eq \f(F,mg)=eq \f(6,10)=0.6,选项D正确。
答案 CD
3.(多选)(摩擦力的大小)如图甲所示,在探究摩擦力的实验中,一人用由0逐渐增大的水平力F推静止于水平地面上质量为5 kg的木箱,木箱所受的摩擦力,与F的关系如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.木箱所受的滑动摩擦力大小为15 N
B.木箱所受的滑动摩擦力大小为16 N
C.木箱与地面间的动摩擦因数μ=0.3
D.木箱与地面间的动摩擦因数μ=0.32
解析 由图乙可知,木箱受的滑动摩擦力大小为15 N,A正确,B错误;根据Ff=μFN,FN=mg,解得木箱与地面间的动摩擦因数μ=0.3,C正确,D错误。故选AC。
答案 AC
4.(滑动摩擦力的影响因素)如图所示为某同学设计“探究滑动摩擦力大小与物体间压力的关系”的原理图。弹簧秤一端固定于P点,自由端系一细线,与铜块水平连接。拉动长木板,弹簧秤的读数T总等于铜块与长木板间的滑动摩擦力f。在铜块上添加砝码,改变压力N,测出每次对应的T,记录每次添加砝码的质量m与T值如下表:
实验次数
1
2
3
4
添加砝码质量(m/kg)
0.2
0.4
0.6
0.8
弹簧秤读数(T/N)
2.5
2.9
4.0
(1)某同学在第3次实验时弹簧秤的示数如图,忘记了读数,请你读出该同学第3次弹簧秤的读数__________N。
(2)实验结果表明:滑动摩擦力的大小与正压力的大小成_____________(选填“线性关系”或“非线性关系”)。
(3)通过表中数据可知,铜块与长木板之间的动摩擦因素为____________。
(g=10 m/s2,且保留两位有效数字)
解析 (1)该同学第3次弹簧秤的读数为3.5 N。
(2)实验结果表明:滑动摩擦力的大小与正压力的大小成线性关系。
(3)设铜块的质量为M,则T=μ(Mg+mg),则2.5=μ(Mg+0.2×10);
4.0=μ(Mg+0.8×10);联立解得μ=0.25。
答案 (1)3.5 (2)线性关系 (3)0.25
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