高中物理粵教版（2019）必修第一册 第3章 第3节 摩擦力学案

第三节　摩擦力
学习目标：
1．物理观念：知道滑动摩擦力、动摩擦因数及静摩擦力的概念，能够解释相关摩擦力的问题．
2．科学思维：理解公式f＝μFN，及静摩擦力的范围，能进行相关计算和推理判断，掌握分析方法解决实际问题．
3．科学探究：通过对两个实验的探究，学会与他人合作与探究，提高实验能力．
4．科学态度与责任：掌握控制变量法，实事求是，在实验中能正确处理实验误差，培养科学探索精神．
知识点一　滑动摩擦力
1．定义：在滑动摩擦中，在接触面上产生的阻碍物体相对运动的作用力，叫作滑动摩擦力．
2．方向：总是与物体相对运动的方向相反，与它们的接触面相切．
3．大小：f跟压力FN成正比，还跟接触面的性质有关，即f＝μFN．其中μ叫动摩擦因数，它与相互接触的物体的材料和接触面的粗糙程度有关．
　“物体相对运动方向”不等同于“物体运动方向”．
1．(1)有压力一定有滑动摩擦力． (×)
(2)有滑动摩擦力一定有压力． (√)
(3)滑动摩擦力总是与接触面上的压力垂直． (√)
(4)只有运动的物体才受滑动摩擦力． (×)
(5)将一木块放在粗糙的斜面上处于静止状态，这一木块所受的力是重力、弹力和摩擦力．
知识点二　静摩擦力
1．定义：当两个相互接触的物体之间具有相对运动趋势时，物体间产生的摩擦叫作静摩擦，这时产生的摩擦力叫作静摩擦力．
2．大小：静摩擦力的大小是可变(选填“不变”或“可变”)的，但有一个最大值，这个最大值叫作最大静摩擦力．
3．方向：总是与物体相对运动趋势的方向相反，与它们的接触面相切．
　受静摩擦力作用的物体也可以是运动的，但不是“相对运动”．
2．(1)两个相互接触的物体都运动时，不会产生静摩擦力． (×)
(2)静摩擦力的大小跟接触面的粗糙程度有关． (×)
(3)最大静摩擦力的大小跟物体间正压力的大小有关． (√)
(4)最大静摩擦力的大小跟接触面的材料有关． (√)
考点1　滑动摩擦力
很多学校里都有猫，同学们也比较喜欢逗着小猫玩．右图是一种常见现象．
请探究：
(1)猫从树上匀速滑下受什么方向的摩擦力？
(2)猫匀速滑下时摩擦力大小是多少？
提示：(1)因是匀速滑动，受向上的滑动摩擦力．
(2)滑动摩擦力大小与猫所受重力大小相等．
[归纳例证]
1．“相对运动”的意义：滑动摩擦力存在于发生相对运动的两个物体之间，“相对运动”可能是因为两个物体一个静止，另一个在运动；可能是因为两个物体一个运动得快，另一个运动得慢；还可能是因为两个物体运动方向相反．所以发生相对运动的物体不一定都处于运动状态，可能是因为另一个物体在运动造成的．
2．滑动摩擦力产生的条件
(1)两物体相互接触且挤压．
(2)物体间的接触面不光滑．
(3)两物体间存在相对运动．
3．实验探究滑动摩擦力的大小与压力、接触面粗糙程度之间的定量关系：
(1)实验原理
①控制变量
(ⅰ)保持木块与平板小车间的粗糙程度不变，在木块上方依次增加砝码，以改变压力，探究f与FN的关系．
(ⅱ)保持压力不变，改变接触面的粗糙程度，探究f与μ的关系．
②两个力的测量方法
(ⅰ)压力的测量
用弹簧测力计测量出木块的重力大小，即为木块对平板小车的压力．(或木块重力加上砝码重力之和)．
(ⅱ)滑动摩擦力的测量
当小车向左缓慢匀速运动，此时弹簧测力计的读数就是木块受到的滑动摩擦力的大小．
(2)实验器材
带滑轮的长木板、电动机、平板小车、毛巾、木块、砝码、细线、弹簧测力计等．
(3)实验与探究
①实验装置如图所示，用电动机带动平板小车向左缓慢匀速运动，注意观察弹簧测力计，当示数稳定时，读出示数，即为木块所受滑动摩擦力大小，记录到表格中．
②保持木块与平板小车间接触面的粗糙程度不变，在木块上方依次增加砝码，重复上述步骤4次，把读数记录到表格中．
③保持压力不变，把毛巾平铺在平板小车上表面，重复上面的步骤5次，将弹簧测力计读数记录在表格中．
实验数据记录表
实验次数n 1 2 3 4 5
压力FN/N
接触面1：弹簧
测力计的示数f/N
接触面2：弹簧
测力计的示数f/N
④根据表格中的两组实验数据，用纵坐标表示滑动摩擦力f，用横坐标表示压力FN，作出f FN图像，从而得出f与FN的关系．
⑤实验结论：同一接触面图线为一条倾斜的直线，直线斜率为为一定值，说明f与FN的大小成正比．对不同接触面不同，越大，表示接触面越粗糙，把的值定义为动摩擦因数．
(4)实验数据的处理方法：以f为纵坐标，FN为横坐标，作出图线，图线是过原点的一条倾斜直线，就能说明f与FN成正比．且有动摩擦因数：μ1<μ2．
(5)实验注意事项
①桌面要水平，平板小车上表面要平整．
②要使平板小车向左缓慢匀速运动．
③读数时，要等弹簧测力计示数稳定后再读数．
④用图像法处理数据，作图时应使尽可能多的点在直线上 ，不在直线上的点尽可能分布在所作直线的两侧，偏离直线太远的点应舍弃掉．
4．大小
(1)特点：滑动摩擦力的大小f跟压力FN成正比，还跟接触面的性质有关．
(2)表达式：f＝μFN．
说明：①μ叫作动摩擦因数，它只与接触面的材料、粗糙程度有关，μ没有单位．动摩擦因数的大小与物体的运动速度无关，与接触面的大小也无关；
②公式f＝μFN中的FN是两个物体接触面间的压力，称为正压力(垂直于接触面的力)，性质上属于弹力，它不是物体的重力，许多情况下需结合物体的平衡条件等加以确定．
5．方向：滑动摩擦力阻碍物体间的相对运动，故滑动摩擦力的方向跟接触面相切，并跟物体相对运动方向相反．
　滑动摩擦力的大小和方向
【典例1】　如图所示，在动摩擦因数μ＝0.1的水平面上向右运动的物体，质量为20 kg，在运动过程中，还受到一个水平向左的大小为10 N的拉力作用，则物体受到的滑动摩擦力为(g取10 m/s2)(　　)
A．10 N，向右　　　　 B．10 N，向左
C．20 N，向右 D．20 N，向左
思路点拨：①物体相对水平面向右运动，受滑动摩擦力作用．
②物体质量为20 kg，对水平面的压力大小为200 N．
D　[滑动摩擦力大小f＝μFN＝μmg＝0.1×20×10 N＝20 N，方向与相对运动方向相反，即向左．]
求解滑动摩擦力大小的思路
(1)判断滑动摩擦力的有无：根据接触面的性质和物体间是否产生相对运动，确定物体之间是否存在滑动摩擦力．
(2)求解方法的选取
①如果物体做匀速直线运动，可根据二力平衡法和公式法求解滑动摩擦力大小．
②如果物体做非匀速直线运动，可根据公式f＝μFN求解滑动摩擦力的大小．
　测定动摩擦因数
【典例2】　某同学用图甲所示的装置测量木块与木板之间的动摩擦因数．跨过光滑定滑轮的细线两端分别与木块和弹簧秤相连，滑轮和木块间的细线保持水平，在木块上方放置砝码．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，弹簧测力计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的值可从图乙中弹簧测力计的示数读出．
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
图甲
图乙　　　　　　　　　　图丙
回答下列问题：
(1)f4＝________N；
(2)在图丙的坐标纸上补齐未画出的数据点并绘出f m图线；
(3)f与m、木块质量M、木板与木块之间的动摩擦因数μ及重力加速度大小g之间的关系式为f＝________，f m图线(直线)的斜率的表达式为k＝________；
(4)g取9.80 m/s2，由绘出的f m图线求得μ＝______(保留2位有效数字)．
[解析]　(1)弹簧测力计的读数为2.75 N．
(2)在图像上添加(0.20 kg,2.75 N)这个点，画一条直线，使尽可能多的点落在这条直线上，不在直线上的点大致均匀分布在直线两侧，如答图所示．
(3)由实验原理可得f＝μ(M＋m)g，f m图线的斜率为k＝μg．
(4)根据图像求出k＝3.9 N/kg，代入数据得μ＝0.40．
[答案]　(1)2.75　(2)如图所示　(3)μ(M＋m)g　μg　(4)0.40
1．(角度1)如图所示，水平拉力F＝40 N时，质量m＝10 kg的木块可以在水平面上匀速前进，求：
(1)木块所受滑动摩擦力的大小和方向；
(2)木块与水平面间的动摩擦因数μ．
[解析]　(1)由木块匀速运动知，木块受力平衡．
根据二力平衡滑动摩擦力Ff＝F＝40 N，方向水平向左．
(2)由Ff＝μFN得，μ＝
又FN＝mg
所以μ＝0.4．
[答案]　(1)40 N，水平向左　(2)0.4
2．(角度2)如图，某个实验小组的同学设计了一个测量动摩擦因数的实验．把弹簧测力计的一端固定在墙上，另一端与一物块P相连，用力F拉水平向左拉物块下面的金属板，金属板向左运动，此时测力计的示数稳定(图中已把弹簧测力计的示数放大画出)，弹簧测力计的读数为________N，物块P受到金属板的滑动摩擦力的大小是________N；若用弹簧测力计测得物块P的重力为13 N，则物块P与金属板间的动摩擦因数为____________．
[解析]　由图示弹簧测力计可知，其最小分度值是0.1 N，其读数F＝2.60 N；由二力平衡条件得：滑动摩擦力Ff＝F＝2.60 N．根据Ff＝μFN＝μmg，解得动摩擦因数μ＝0.2．
[答案]　2.60　2.60　0.2
考点2　静摩擦力
这里有三幅有关摩擦力的图画．
图甲　　　　图乙　　　　图丙
请探究：
(1)甲图中小孩用80 N的水平力没有推动箱子，此时木箱所受静摩擦力大小和方向？
(2)乙图中小孩用100 N的力刚好能推动，说明了什么？
(3)丙图中小孩用100 N的力推木箱摔倒又说明什么？
提示：(1)箱子水平方向受平衡力，木箱受静摩擦力大小为80 N，水平向左．
(2)最大静摩擦力大小是100 N．
(3)最大静摩擦力大于滑动摩擦力．
[归纳例证]
1．静摩擦力产生的条件
(1)接触面是粗糙的．
(2)两物体相对静止但存在相对运动趋势．
(3)两物体在接触面上有正压力(弹力)．
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(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fmax＝μ0FN．(μ0为静摩擦因数，最大静摩擦力fmax略大于滑动摩擦力，一般情况下，为了分析问题方便，可认为二者相等)
4．实验探究最大静摩擦力
(1)实验目的：粗测最大静摩擦力．
(2)实验原理：
①状态分析：水平桌面上，受拉力作用的物块开始运动前，处于静止状态．
②二力平衡：根据二力平衡，物块所受静摩擦力大小与弹簧测力计的拉力相等．
(3)实验设计：
①选用弹簧测力计，获得静摩擦力大小的数据．
②根据弹簧测力计数据的变化情况，分析静摩擦力大小的变化规律．
③在物块上添加砝码，改变压力，研究静摩擦力的变化规律．
④观察记录物块刚开始滑动时，弹簧测力计示数的变化情况．
⑤比较两种情况下，弹簧测力计所显示的最大静摩擦力大小与压力的关系．
(4)实验结论：
①最大静摩擦力fmax与物体之间正压力FN成正比．
②最大静摩擦力比滑动摩擦力略大．
【典例3】　质量为2 kg的物体静止在水平地面上，如图所示，物体与地面间的动摩擦因数为0.5，最大静摩擦力与滑动摩擦力视为相等，给物体一水平推力F(g取10 m/s2)．
(1)当推力大小为5 N时，地面对物体的摩擦力是多大？
(2)当推力大小为12 N时，地面对物体的摩擦力是多大？
思路点拨：①判断物体所处的状态及摩擦力特点．
②选取合理的方法或公式计算相应摩擦力的大小．
[解析]　在地面上，FN＝mg，则滑动摩擦力(即最大静摩擦力fmax)大小为fmax＝μFN＝μmg＝0.5×2×10 N＝10 N．
(1)当推力F＝5 N时，F(2)当推力F＝12 N时，F>Fmax，物体滑动．则地面对物体的滑动摩擦力的大小f滑＝μFN＝μmg＝10 N．
[答案]　(1)5 N　(2)10 N
求解静摩擦力大小的步骤
(1)确定研究对象，判断静摩擦力的有无．
(2)确定物体是否处于平衡状态．
(3)根据平衡法求大小：当物体受力处于平衡状态时，根据受力平衡，求解静摩擦力的大小．
上题中若物体运动过程中突然把推力去掉，此时地面对物体的摩擦力是多大？
[解析]　运动过程中把推力去掉，地面对物体的摩擦力为滑动摩擦力，其大小f′滑＝10 N．
[答案]　10 N
3．静止在水平地面上的物体受到一个水平拉力作用，但物体仍然保持静止，这表明(　　)
A．拉力小于静摩擦力
B．拉力与静摩擦力大小相等
C．拉力越大，静摩擦力越小
D．拉力大小变化时，静摩擦力大小不变
B　[物体在水平方向受到拉力和静摩擦力两个力作用，由二力平衡条件可知，拉力与静摩擦力大小相等，方向相反，当拉力大小变化时，静摩擦力也随之变化，故选项B正确．]
1．下列关于物体受静摩擦力作用的叙述中，正确的是(　　)
A．静摩擦力的方向一定与物体的运动方向相反
B．静摩擦力的方向不可能与物体的运动方向相同
C．静摩擦力的方向与物体相对运动趋势方向相反
D．静止物体所受静摩擦力一定为零
C　[静摩擦力的方向可能与物体的运动方向相反，也可能与物体的运动方向相同．比如在平直公路上行驶的汽车，车厢地板上随汽车一起运动的物体，在启动过程中所受静摩擦力与运动方向相同，在减速过程中，静摩擦力方向与运动方向相反，A、B错误；静摩擦力的方向总是与物体相对运动趋势方向相反，C正确；静止的物体所受静摩擦力不一定为零，当静止的物体相对接触物体有相对运动趋势时，也会受到静摩擦力，D错误．]
2．以下关于滑动摩擦力的说法中，正确的是(　　)
A．滑动摩擦力的方向总是与物体的运动方向相反
B．滑动摩擦力总是阻碍物体的运动
C．滑动摩擦力的方向与物体的相对运动方向相反
D．两个相互接触的物体发生相对滑动时，它们都要受到滑动摩擦力的作用
C　[滑动摩擦力的方向总是与物体的相对运动方向相反，但与物体的运动方向既可能相同，也可能相反，既可能促进物体的运动，也可能阻碍物体的运动，A、B错误，C正确；摩擦力的产生必须具备三个条件，两个相互接触的物体发生相对滑动时，接触面间相互挤压和粗糙的条件不一定具备，此时物体间不一定有摩擦力，D错误．]
3．关于摩擦力，下列说法中正确的是(　　)
A．物体所受正压力增大时，它所受的摩擦力一定增大
B．物体受到摩擦力作用时，它一定受到弹力作用
C．滑动摩擦力的方向，一定与物体的运动方向相反
D．静止的物体不可能受到滑动摩擦力作用
B　[滑动摩擦力随正压力的增大而增大，而静摩擦力的大小与正压力无关，选项A错误；两个物体之间存在弹力是产生摩擦力的必要条件，故物体受到摩擦力作用时一定受到弹力作用，选项B正确；滑动摩擦力的方向一定与物体间相对运动的方向相反，但不一定与物体的运动方向相反，选项C错误；物体在粗糙的水平地面上滑动时，静止的地面受到的摩擦力为滑动摩擦力，选项D错误．]
4．如图所示，静止在水平桌面上的木块在水平方向受到推力F1、F2和摩擦力Ff的作用．已知F1＝10 N，F2＝2 N，则木块受到的摩擦力大小为(　　)
A．2 N B．10 N　　　C．8 N　　　D．12 N
C　[木块在F1、F2和摩擦力Ff的共同作用下处于平衡状态，合外力等于零，则木块受到的静摩擦力大小为Ff＝F1－F2＝8 N，故选C．]
5．(新情境题：以“机械臂”为背景，考查静摩擦力)《中国制造2025》是国家实施强国战略第一个十年行动纲领，智能机器制造是一个重要方向，其中智能机械臂已广泛应用于各种领域．如图，一机械臂铁夹竖直夹起一个金属小球，小球在空中处于静止状态，铁夹与球接触面保持竖直．
探究：
(1)小球受到的摩擦力大小和方向是怎样的？请作出解释．
(2)若增大铁夹对小球的压力，小球受到的摩擦力会如何变化？
[解析]　(1)小球受到的摩擦力大小始终与小球的重力相等，方向竖直向上．
(2)若增大铁夹对小球的压力，小球受到的摩擦力仍然与小球重力相等，大小不变．
[答案]　见解析
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．滑动摩擦力的方向如何？大小如何计算？
提示：滑动摩擦力的方向跟物体相对滑动的方向相反，大小计算公式f＝μFN．
2．静摩擦力的大小范围如何？
提示：03．最大静摩擦力的公式如何？
提示：fmax＝μFN．
关于摩擦本质的两种学说
1．凹凸啮合说
这是从15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩擦本质的理论，啮合说认为：摩擦是由于相互接触的物体表面粗糙不平产生的，两个物体接触挤压时，接触面上很多凹凸部分就相互啮合，如果一个物体沿接触面滑动，两个接触面的凸起部分相碰撞，产生断裂，磨损，就形成了对运动的阻碍．
2．粘附说
这是继凹凸啮合说之后的一种关于摩擦本质的理论，最早由英国学者德萨左利厄斯于1734年提出，他认为两个表面磨得很光的金属，摩擦会增大．这个现象可以利用两个表面充分接触时它们的分子引力将增大来解释．
20世纪以来，随着工业和技术的发展，对摩擦理论的研究进一步深入，产生了新的摩擦粘附论．
新的摩擦粘附论认为：两个互相接触的表面，无论做得多么光滑，从原子尺度来看都是粗糙的，上面有许多微小的凸起．把这样的两个表面放在一起，微凸的顶部发生接触，微凸起之外的部分接触间有10－8 m或更大的间隙，这样接触的微凸起的顶部就承受了接触面上的法向压力．如果这个压力很小，微凸起部分发生弹性形变．如果法向压力较大，超过了材料的弹性限度，微凸起的顶部便发生塑性形变，被压成平顶．这时互相接触的两物体间距离变小，小到分子(原子)引力发生作用的范围．于是，两个压紧的接触面上产生了原子性粘合，这时要使两个彼此接触的表面发生相对滑动，必须对其中的一个表面施加一个切向力，来克服原子(分子)间的引力，剪断实际接触区生成的接点，这就产生了摩擦．
上述理论中的粘附理论提出的机理比啮合理论更普遍，但在不同的材料上，两种机理的表现有所偏向，对金属材料、产生的摩擦以粘附作用为主，而对木材，产生的摩擦以啮合作用为主．
　(1)凹凸啮合说和粘附说都一定完全正确吗？
(2)粘附说认为摩擦力的实质是什么？
提示：(1)部分正确．
(2)原子间的引力．