摩擦力是历年的必考内容,摩擦力的突变的考题常有出现,且类型多,特别是静摩擦力随物体的相对运动趋势发生变化,其大小与方向均有可能变化的情况对应于过程的转变及临界状态,在分析中很容易发生失误,在时应引起高度重视,应仔细分析物体的状态变化的过程与细节。
一、 静动突变
例1、长直木板的上表面的一端放有一个铁块,木块由水平位置缓慢一向上转动(即木板与地面的夹角 变大),另一端不动,则木块受到摩擦力 f 随角度 的变化关系图象是(甲)中的( )
解析:(1)开始时, =0, =0。
(2)静摩擦力的大小分析:开始一段时间,物体相对木板静止,所受的是静摩擦力;缓慢竖起时,可认为物体处于平衡状态,由的平衡关系可知,静摩擦力大小等于物体重力沿斜面向下的分力:
。因此,静摩擦力随 的增大而增大,它们呈正弦规律变化。图线为正弦函数图像。
(3)在物体刚好要滑动而没滑动时, 达到最大值。 继续增大,物体将开始滑动,静摩擦力变为滑动摩擦力。且满足: 。
(4) 开始滑动后, ,因此,滑动摩擦力随 的增大而减小,呈余弦规律变化。图线为余弦规律变化。
(5)最后, ,
综上分析可知:C 正确。
练习:如图乙所示,在水平桌面上放一木块,用从零开始逐渐增大的水平拉力 F 拉木块直到沿桌面运动,在此过程中,木块所受到的摩擦力 f 的大小随拉力 F 的大小变化的图象正确的是( )
解析:开始时,物体静止不动,受静摩擦力的作用,且满足: ;当 F 达到最大静摩擦力之后,物体开始滑动,物体运动状态发生了变化,摩擦力突变为滑动摩擦力: 保持不变。则木块所受到的摩擦力 f 的大小随拉力 F 的大小变化的图象正确的是B 。
二、 动静突变
例2:把一重为 G 的物体,用一个水平的推力 (k 为恒量,t 时间)压在竖直的足够高的平整的墙上(如图甲所示),从 t =0 开始物体所受的摩擦力 f 随 t 的变化关系是图中的( )
解析:首先,物体受到的动摩擦力 ,随时间的增加而从零开始增加。开始时, ,物体向下做加速运动;当 时,物体的速度最大;此后 ,物体做减速运动;当速度为减速为零时,物体处于静止。动摩擦力变为静摩擦力,大小突变为与重力大小相等。
三、 动动突变
例3、传送带以恒定的速率 运动,已知它与水平面成 ,如图所示, ,将一个小物体无初速度地放在 P 点,小物体与传送带间的动摩擦因数为 ,问当皮带逆时针转动时,小物体运动到 Q 点的时间为多少?
解析:当物体刚放在传送带上时 高中英语,物体的速度速度传送带的速度,物体所受的滑动摩擦力方向沿斜面向下,加速度为:
滑行时间:
滑行距离:
当物体与传送带的速度相同时,由于重力的作用物体继续加速,物体的速度大于传送带的速度,摩擦力的方向变为沿斜面向上,加速度为:
因为:
又: 解得:
所以,小物体从 P 点运动到 Q 点的时间:
四、 静静突变
例4.一木块放在水平桌面上,在水平方向共受到三个力即 F1、F2 和摩擦力的作用,木块处于静止状态,如图所示,其中 F1=10N, F2=2N ,若撤去 F1 ,则木块受到的摩擦力为( )
A.10 N,方向向左 B.6 N,方向向右
C.2 N,方向向右 D.零
解析:当物体受F1、F2 及摩擦力的作用而处于平衡状态时,由平衡条件可知物体所受的摩擦的作用大小为8N ,可知最大静摩擦力 。当撤去力F1 后, ,物体仍处于静止状态,由平衡条件可知物体所受的静摩擦力大小和方向发生突变,且与作用在物体上的F2 等大反向。
五、 摩擦力有无判断
例5、水平皮带传输装置如图所示,O1 为主动轮,O2 为从动轮。当主动轮顺时针匀速转动时,物体被轻轻地放在 A 端皮带上,开始时,物体在皮带上滑动,当它到达位置 C 后停止滑动,直到传送到目的地 B 端,在传送过程中,若皮带与轮不打滑,则关于物体受的摩擦力和图中P 、Q 两处(在O1 、O2 连线上)皮带所受摩擦力的方向的正确说法是( )
① 在AC 段物体受水平向左的滑动摩擦力,P 处皮带受向上的滑动摩擦力。
② 在AC 段物体受水平向右的滑动摩擦力。P 处皮带受向下的滑动摩擦力。
③ 在CB 段物体不受静摩擦力,Q 处皮带受向下的静摩擦力。
④ 在CB 段物体受到水平向右的静摩擦力,P 、Q 两处皮带始终受向下的静摩擦力。
A.①③ B、①④ C、②③ D、③④
解析:本题物体在 C 处是摩擦力的突变点,在此之前,物体相对皮带有相对运动,存在滑动摩擦力,且方向与接触物体的相对运动方向相同,指向右方;在此之后,物体相对皮带无相对运动趋势,不存在静摩擦力;另外,主动轮与从动轮的区别在于相对运动趋势的差别。
摩擦力的突变是由于摩擦力的被动性所引起的,因此,我们要认真分析物体的运动状态的每一个细节,运动用牛顿第二定律或力的平衡关系求解。
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