3.3 摩擦力 课件-2025-2026学年高一上学期物理教科版必修第一册

物理 必修 第一册 第三章 相互作用 摩擦力 3 在如图3-3-1所示是消防战士在进行徒手爬杆训练。战士采用双手互换握铁管的方式保持身体匀速上升，到达顶端后又采用“手握腿夹”的方式使身体匀速下滑到地面。消防战士在匀速上升和匀速下滑的两个过程中，所受到铁管的摩擦力大小和方向相同吗？摩擦力的种类相同吗？ ▲ 图3-3-1爬杆训练 认识滑动摩擦力 两个物体相互接触并挤压，当它们沿接触面发生相对滑动时，每个物体的接触面上都会受到对方施加的阻碍相对运动的力，这种力叫作滑动摩擦力（sliding friction force）。滑动摩擦力的方向总是沿着接触面，并且跟物体的相对运动方向相反。 所谓相对运动方向，是指在发生相对运动的两个物体中，把其中一个物体当作参照物（视作静止）时，另一个物体的运动方向。 认识滑动摩擦力 讨论交流 ▲ 图3-3-2 猫拉桌布 如图3-3-2所示，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。试讨论： （1）鱼缸在桌面上滑动的过程中，桌面对鱼缸底的滑动摩擦力沿什么方向？鱼缸底对桌面的滑动摩擦力沿什么方向？ （2）鱼缸在桌布上滑动的过程中，桌布对鱼缸底的滑动摩擦力沿什么方向？鱼缸底对桌布的滑动摩擦力沿什么方向？ 研究滑动摩擦力的大小 讨论交流 通过初中物理的学习我们已经知道，滑动摩擦力大小与接触面的情况、压力的大小有关。那么，它们之间有什么定量关系呢？ 研究滑动摩擦力的大小 实验探究|研究滑动摩擦力的大小 如图3-3-3所示，将一木块和木板叠放于水平桌面上，弹簧测力计一端固定于铁架台横杆上，另一端用细线与木块相连。当拉动木板在桌面上滑动时，木块受到木板向右的滑动摩擦力f。根据二力平衡，此力与细线对木块的拉力F大小相等。由于拉力F的大小可通过弹簧测力计示数读取，所以读出弹簧测力计示数即得到了木块受到的滑动摩擦力大小。实验可按照下列方法进行。 通过在木块上加砝码的方法改变压力N，分别测出各次滑动摩擦力f的大小 ； 把木板换成玻璃板，重复上面的实验； 把测得的数据填入下表，并完成有关计算。 ▲ 图3-3-3 研究滑动摩擦力的大小 实验探究|研究滑动摩擦力的大小 把测得的数据填入下表，并完成有关计算。 滑动摩擦力 f / N 计算 压力N/N 木块与木板 木块与玻璃板 完成上述实验后，请你和同学们讨论下列问题：滑动摩擦力f的大小与压力N的大小有什么关系？滑动摩擦力f的大小与接触面的材料有关系吗？ 研究滑动摩擦力的大小 精确的实验研究表明 ：滑动摩擦力 f 的大小跟压力 N 成正比，也就是跟两个物体表面间的垂直作用力成正比，即 f = μN 其中比例系数 μ 叫作动摩擦因数（dynamic friction factor），它是两个力的比值，没有单位。它的大小与两个接触面的材料、粗糙程度等情况有关。 几种材料间的动摩擦因数 材 料 动摩擦因数 钢-钢 0.25 钢-木 0.40 钢-冰 0.02 木-木 0.30 木-冰 0.03 木-金属 0.20 研究滑动摩擦力的大小 例题示范 ▲ 图3-3-4 狗拉雪橇 问题 在我国东北寒冷的冬季，人们常使用狗拉雪橇的方式进行交通运输，如图3-3-4所示。某一钢制滑板的雪橇，连同雪橇上的人与货物总重量为 3.8×103N，当狗沿着水平方向拉着它在水平冰面上匀速滑行时，需要提供多大的拉力？ 分析 本题情景“狗拉雪橇”是一幅北方冬天极富特色的生活画面。为什么看起来不够高大的狗却能拉着比它们要重得多的雪橇在冰雪上飞奔？其中涉及的是一个较简单的力学问题。我们将在冰面上运动的雪橇及其上的人和货物，抽象成一个在水平面匀速运动的质点。该质点受到的滑动摩擦力由两接触面间的情况以及正压力大小所决定，匀速运动的特点表明拉力恰好与摩擦力大小相等，据此我们就能列出各物理量之间的关系式，再通过数学方法进行求解了。 研究滑动摩擦力的大小 例题示范 问题 在我国东北寒冷的冬季，人们常使用狗拉雪橇的方式进行交通运输，如图3-3-4所示。某一钢制滑板的雪橇，连同雪橇上的人与货物总重量为 3.8×103N，当狗沿着水平方向拉着它在水平冰面上匀速滑行时，需要提供多大的拉力？ ▲ 图3-3-5 解 用如图3-3-5所示的矩形表示雪橇，其在竖直方向受到重力G、冰面支持力N。在水平方向受到狗的拉力F、冰面的滑动摩擦力f。 雪橇做匀速运动时，拉力 F 与滑动摩擦力 f 构成二力平衡，所以 F = f 而 f = μN 雪橇在竖直方向是静止状态，重力G与地面支持力N也构成二力平衡，所以 N = G 查阅上表可知：钢与冰之间的动摩擦因数 μ = 0.02。代入数据后，得 F = 0.02×3.8×103N = 76N 狗要在水平方向施加76N的力，才能拉着雪橇匀速前进。 研究滑动摩擦力的大小 例题示范 拓展（1）若狗在主人的驱使下猛然发力，拉力增大到100N，此时的滑动摩擦力也会增大到100N吗？为什么？ （2）依据本题所涉及的物理过程，你可以设计测量两页纸之间动摩擦因数的实验方案吗？ 认识静摩擦力 例题范 请按照如图3-3-6所示的方法，对箱子施加水平推力。在推箱子的过程中，要逐渐增加推力大小，直到将箱子推动为止。重复几次，体会每次箱子发生移动前和刚好移动时推力的情况。想一想，是什么力阻碍了箱子的移动？ 活动 ▲ 图3-3-6 推箱子 当我们用较小的力F 水平向右推地面上的箱子时，箱子会保持静止状态。根据二力平衡，这时地面必然会对箱子产生一个与推力大小相等、方向相反的力，用来平衡推力。这个力就是箱子与地面之间的摩擦力，由于这时两物体之间处于相对静止状态，所以这时的摩擦力是静摩擦力（static frictional force），记作f 静，如图3-3-7所示。 ▲ 图3-3-7 与没有受到推力作用时相比较，此时箱子虽然也没有发生移动，但推力正试图使它从静止开始运动，即箱子具有了相对地面向右运动的趋势。地面对箱子施加的这个静摩擦力，就是对这一趋势所作出的响应，从而阻碍相对运动的发生。可见，静摩擦力的方向总是沿着接触面，并且跟物体相对运动趋势的方向相反。 静摩擦力的大小及最大静摩擦力 例题范 如图3-3-8所示，将一物块放在水平桌面上，用弹簧测力计水平拉着。逐渐增大拉力大小直至物块滑动，此时拉力会突然变小。记下物块将要滑动时测力计的示数，此值即为物块与桌面间的最大静摩擦力。 在物块上添加砝码， 再次拉动物块，测量压力变化后物块与桌面间的最大静摩擦力。 活动 在图3-3-6中，当我们用逐渐增大的力推箱子时，只要箱子还没有发生相对运动，都会受到地面的静摩擦力，而且静摩擦力的大小始终与推力的大小相等，推力越大，静摩擦力相应也越大。当推力突破某一特定值时，箱子将会滑动起来，此后箱子将不再受到静摩擦力。可见静摩擦力的增大存在一个极限，称为最大静摩擦力，记为f静max，其大小等于物体将要发生相对运动时受到的推力。物体之间实际发生的静摩擦力 f静 在0与最大静摩擦力 f静max之间，即 0 < f静 ≤ f静max ▲ 图3-3-8 实验中，若在弹簧测力计的指针左侧轻塞一个小纸团，并可随指针移动，则它将可以记录指针到达的最大位置。 静摩擦力的大小及最大静摩擦力 例题范 在最大静摩擦力f静max与物体之间的正压力N成正比，还与接触面的材料及粗糙程度有关。在实际情况中，最大静摩擦力比滑动摩擦力略大（图3-3-9）。 ▲ 图3-3-9 物体从静止到滑动，所受摩擦力的变化情形 静摩擦力的大小及最大静摩擦力 例题范 在人们日常生产和生活中，有许多利用静摩擦的事例。布匹是利用静摩擦将经线纬线紧密地交织在一起的；在大型超市中，站在斜坡式自动扶梯上的顾客，是利用了鞋底受到沿坡面向上的静摩擦力，来确保脚与坡面间的相对静止（图 3-3-10 ）。在图 3-3-11 中，大力士能否拉动飞机，他的鞋与水平地面之间的最大静摩擦力能否达到拉动飞机时所需拉力的大小，是一个重要的因素。 ▲ 图3-3-10 自动扶梯靠静摩擦力使人一起运动 ▲ 图3-3-11 拉动飞机 自我评价 1.滑动摩擦力的大小与哪些因素有关？它的方向如何？ 解：滑动摩擦力大小与接触面的粗糙程度以及接触面间正 压力的大小有关，方向与物体相对运动方向相反。 2.一只重量为 300 N 的沙发放在水平地板上，至少要用100N的水平推力，才能将它推动。移动以后，只要用90N的水平推力就能使它继续做匀速运动。试求： 解：（1）由于至少要用 100N的水平推力才能推动沙发，所以沙发与地板之间的最大静摩擦力为:＝ 100N。 （2）只要用 90N的水平推力就能使沙发继续做匀速运动，所以沙发与地板之间的滑动摩擦力为:由 ＝μＦＮ，ＦＮ＝mg＝300N。 得: μ＝ ＝ ＝0.33。 （3）由于物体所受到的滑动摩擦力只与支持力和动摩擦因数有关，当用120N的水平推力推沙发时，沙发仍处于运动状态，它所受到的滑动摩擦力仍为90N。 （1）沙发与地板之间的最大静摩擦力有多大？ （2）沙发与地板之间的滑动摩擦力有多大？沙发与地板之间的动摩擦因数为多少？ （3）当用120N的水平推力推沙发，沙发受到的摩擦力有多大？ 自我评价 3. 一只圆柱形杯子，在下列情况下是否受到摩擦力？如果受到摩擦力，摩擦力朝什么方向？ （1）杯子放在粗糙的水平桌面上； （2）杯子被握在手中，杯口朝上； （3）杯子放在水平传送带上，并随传送带一起匀速运动。 解：（1）杯子放在粗糙的水平桌面上，与桌面无相对运动或相对运动的趋势，不受摩擦力； （2）杯子被握在手中，受到的摩擦力和重力为一对平衡 力，摩擦力方向竖直向上; （3）杯子随水平传送带一起匀速运动，处于平衡状态，不受摩擦力。 4. 如图3-3-12所示，在水平面上向右运动的物体，所受重力为200N，物体和水平面之间的动摩擦因数为 0.1。在运动过程中，物体还受到一个水平向左、大小为10N的拉力作用，求物体受到的摩擦力。 解：物体相对地面运动，故物体受到的滑动摩擦力，物体受力如图所示: 则摩擦力的大小 ｆ＝ μＮ＝ μＧ＝0.1×200N＝20N 滑动摩擦力的方向与运动方向相反，故摩擦力方向向左。 本节结束！ 物理 必修 第一册 第三章 相互作用 摩擦力 3 $