第2节 摩擦力-高中物理必修一素养提升学案（有解析）

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高中物理必修一素养提升学案
第三章 相互作用
第2节 摩擦力
【课标解读】
1. 理解摩擦力的产生条件，会区分静摩擦力和滑动摩擦力。
2．会判断静摩擦力的方向，分析静摩擦力的大小，了解最大静摩擦力。
3．会判断滑动摩擦力的方向，并根据公式计算其大小。
4．会利用二力平衡获得静摩擦力大小，知道最大静摩擦力的概念及影响因素。
5. 知道生产和生活中增大或减小摩擦力的实例，有将摩擦力知识应用于生产和生活的意识。
【核心素养】
物理观念：理解静摩擦力和滑动摩擦力，形成运动和力的观念。
科学思维：通过具体实例的分析、练习，历经抽象概括，知道静摩擦力和滑动摩擦力的产生条件。
科学探究：通过探究的过程，让学生体会基于事实证据和科学推理，掌握分析摩擦力的方向的科学研究方法。
科学态度与责任：体会静摩擦力的大小范围，渗透辩证唯物主义世界观。
【思维脉络】
【新课讲解】
知识点 1　滑动摩擦力
1．定义：两个相互接触的物体，当它们__相对滑动__时，在接触面上会产生一种__阻碍相对运动__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__相对运动__的方向相反。
3．大小
(1)滑动摩擦力的大小跟接触面上压力的大小成__正比__，还跟接触面的粗糙程度、材质等有关。
(2)公式：Ff＝__μFN__。
(3)动摩擦因数μ：它的值跟两接触面的__材料__和__粗糙程度__有关。动摩擦因数μ＝____，Ff在接触面内且与相对运动方向__相反__，FN与接触面__垂直__。
注意：有摩擦力必定有弹力，有弹力不一定有摩擦力。
知识点 2　静摩擦力
1．定义：相互接触的两个物体之间只有__相对运动的趋势__，而没有__相对运动__时，这时的摩擦力叫作静摩擦力。
2．方向：总是沿着__接触面__，跟物体__相对运动趋势__的方向相反。
3．最大静摩擦力：静摩擦力有一个最大值Fmax，在数值上等于物体__即将开始运动__时的拉力。
4．静摩擦力的大小：两物体之间实际产生的静摩擦力F在__0__与最大静摩擦力__Fmax__之间，即__0注意：“相对静止”≠“静止”其含义包括两个物体都静止，或者是两个物体以相同的速度运动。
【互动探究】
探究一?滑动摩擦力
情境导入
如图甲、乙、丙所示，质量为2 kg的木块在不同水平拉力作用下，均向右做匀速直线运动。
(1)以上三图中的木块除了受到水平拉力外，水平方向还要受到一个什么力？你能根据二力平衡确定这个力的大小吗？
(2)以上三图中木块受的摩擦力方向向哪？滑动摩擦力的方向与相对运动方向有何规律？
(3)比较甲、乙两图，表明滑动摩擦力大小与什么因素有关？比较甲、丙两图，表明滑动摩擦力大小与什么因素有关？
答案：(1)滑动摩擦力，其大小和外力大小相等，即3.6N、6.6N、5.6N。
(2)方向均向左，其方向总与相对运动方向相反。
(3)甲、乙表明，滑动摩擦力的大小与压力大小有关；甲、丙表明，滑动摩擦力的大小与接触面间的材料有关。
要点提炼
1．滑动摩擦力的产生条件
两物体缺一不可
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。
例如：
3．滑动摩擦力的大小
(1)公式法：根据公式Ff＝μF N计算。
①正压力F N是物体与接触面间的压力，不一定等于物体的重力，F N的大小根据物体的受力情况确定。
②动摩擦因数μ与材料和接触面的粗糙程度有关，而与物体间的压力、接触面的大小无关。
(2)二力平衡法：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。
特别提醒
(1)滑动摩擦力的方向与“相对运动的方向相反”并不是与“运动方向”相反。
(2)滑动摩擦力的作用总是阻碍物体的相对运动，而不是阻碍物体的运动。
探究二? 静摩擦力
情境导入
如图所示，把木块放在水平长木板上，用弹簧测力计沿水平方向拉木块，在弹簧测力计的指针下轻塞一个小纸团(可以作为指针到达最大位置的标记)，它可以随指针移动。拉力F逐渐增大，木块保持静止，直到拉力达到某一数值时木块开始移动，观察弹簧测力计示数及其变化情况。
试分析：(1)随着外力的增大，静摩擦力大小变化吗？若变化，如何变化？
(2)木块开始移动时弹簧测力计的示数有何特点？
(3)若在木块上增加砝码，木块开始移动时弹簧测力计的示数如何变化？由此得出什么结论？
提示：(1)由二力平衡知，随着外力的增大，静摩擦力大小发生变化，相应增大。
(2)木块开始移动时弹簧测力计的示数达到最大，即最大静摩擦力。静摩擦力的数值存在一个范围，即0(3)弹簧测力计的示数增大。最大静摩擦力随正压力的增大而增大。
要点提炼
1．静摩擦力产生的条件
两物体缺一不可
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。
例如：
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。
特别提醒
(1)不能认为受静摩擦力的物体一定静止，运动的物体之间也可能存在静摩擦力。
(2)静摩擦力的效果不是阻碍物体的运动，而是阻碍物体间的相对运动趋势。
(3)静摩擦力是被动力，在一定范围内其大小随外力变化而变化，并不是一个定值。
探究三 静摩擦力与滑动摩擦力的比较
情境导入
绳结是靠什么性质的力使绳子连在一起或把物体绑在一起？为什么有的绳子不容易“死扣”？
提示：静摩擦力；动摩擦因数太小(或绳子光滑)
要点提炼
两种摩擦力的比较
静摩擦力 滑动摩擦力
产生条件 相同点 ①相互接触；②相互挤压；③接触面粗糙
不同点 有相对运动趋势 有相对运动
力的三要素 大小 相同点 ①可根据二力平衡条件求解；②可根据作用力、反作用力的特点求解(后面学习)
不同点 被动力，与压力无关，大小为0方向 相同点 ①与运动方向无直接关系，可与运动方向相同，也可与运动方向相反或者成一夹角；②与接触面相切；③与同一接触面上的弹力方向垂直
不同点 与相对运动趋势方向相反 与相对运动方向相反
作用点 相同点 在接触面上，做力的图示时，可根据等效原理画到物体的重心上
【温馨提示】
对摩擦力认识的几个误区
误区一：误认为只有静止的物体才受静摩擦力作用，滑动摩擦力一定产生于运动的物体间
静摩擦力产生于两个相对静止的物体间，它们可能都运动；滑动摩擦力产生于两个相对运动的物体间，它们中可能有一个物体静止。例如，汽车加速前进时，相对于车厢静止的箱子随汽车一起运动受到向前的静摩擦力；狗拉雪橇向前运动时，静止的地面受到滑动摩擦力。
误区二：误认为摩擦力的方向一定与物体的运动方向相反
实际上摩擦力与相对运动方向或相对运动趋势方向相反，与物体的运动方向可能相反，可能相同，还可能与物体的运动方向不在一条直线上。
误区三：误认为物体间的压力越大，摩擦力就越大
实际上滑动摩擦力、最大静摩擦力与物体间的压力有关，压力越大，则滑动摩擦力和最大静摩擦力就越大，而静摩擦力的大小与物体间的压力无关。
误区四：误认为摩擦力一定是阻力
实际上摩擦力阻碍的是物体间的相对运动，摩擦力不一定是阻力，有可能是动力，如传送带就是利用摩擦力作为动力，将粮食由低处送到粮仓中。
【典例剖析】
典例　如图所示，一重为40 N的木块原来静止在水平桌面上，某瞬间在水平方向上同时受到两个方向相反的力F1、F2的作用，其中F1＝13 N，F2＝6 N。已知木块与桌面间的动摩擦因数为0.2，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，求：
(1)木块所受的摩擦力的大小和方向；
(2)当只将F1撒去时，木块受到的摩擦力的大小和方向；
(3)若撤去的力不是F1而是F2，求木块受到的摩擦力的大小和方向。
思路引导：—
解析：当木块运动时受到的滑动摩擦力为F滑＝μF N＝μG＝0.2×40 N＝8 N，故木块受到桌面的最大静摩擦力为8 N。
(1)加上F1、F2后，F1和F2相当于一个方向向右的F＝F1－F2＝7 N的力。由于F小于最大静摩擦力，故木块处于静止状态，则木块受到桌面静摩擦力的作用，大小为7 N，方向水平向左。
(2)将F1撤去后，由于F2小于最大静摩擦力，故木块仍然保持静止。由二力平衡知识知，木块受到的静摩擦力大小等于F2，即大小为6 N，方向水平向右。
(3)撤掉F2后，由于F1大于最大静摩擦力，则木块受到的摩擦力为滑动摩擦力，大小为8 N，方向水平向左。
答案：(1)7 N　水平向左　(2)6 N　水平向右
(3)8 N　水平向左
思维升华：求解摩擦力大小的方法
(1)明确所求摩擦力是静摩擦力还是滑动摩擦力。
(2)静摩擦力一般根据二力平衡来求。求解时应注意物体是否处于静止或匀速直线运动状态，若物体处于减速或加速运动状态，则二力平衡不成立。
(3)滑动摩擦力一般根据公式法计算，计算时注意滑动摩擦力的大小与物体的速度大小、运动方向、接触面积、物体是否匀速运动无关，只取决于动摩擦因数和正压力的大小。
针对性训练
1　如图所示，质量为20 kg的物体，沿粗糙水平地面向右运动，一水平向左的力F＝10 N作用于物体上，物体与水平地面间的动摩擦因数为0.1，则物体所受摩擦力的大小和方向为(取g＝10 N/kg)(　D　)
A．10 N，向右　　　　　 B．10 N，向左
C．20 N，向右　　　　　 D．20 N，向左
D 解析：物体沿粗糙水平地面向右运动，物体对地面的压力大小FN＝mg＝200 N，滑动摩擦力大小为Ff＝μFN＝μmg＝20 N，方向：与物体相对地面的运动方向相反，即向左，故D正确。
2．如图所示，有一质量为m的砖，它的长、宽、高分别为25 cm、15 cm、8 cm，则当它平放、侧放和竖放时，运动的砖块所受到的摩擦力大小关系为(　B　)
A．Ff1>Ff2>Ff3　　　　 B．Ff1＝Ff2＝Ff3
C．Ff1B 解析：滑动摩擦力的大小f＝μFN，只与两接触面的材料和正压力大小有关，与接触面积大小无关，则三种情况下滑动摩擦力大小相等，故选B。
3 如图所示，A是主动轮，B是从动轮，它们通过不打滑的皮带传动，轮的转动方向见图，在B轮上带有负载，P、Q分别是两轮边缘上的点，则下列判断正确的是(　AC　)
A．P点所受的静摩擦力方向向上
B．P点所受的静摩擦力方向向下
C．Q点所受的静摩擦力方向向上
D．Q点所受的静摩擦力方向向下
思路引导：正确理解静摩擦力的概念，明确静摩擦力的方向一定与相对运动趋势的方向相反。
AC 解析：P点位置在与主动轮接触的皮带上，轮子带着传送带运动，故传送带相对轮子有向上运动的趋势，但没有相对滑动；故P点受到的是静摩擦力；P受到的摩擦力方向向上，故A正确，B错误；Q点位置在与从动轮接触的皮带上，轮子是在传送带的带动下运动的，没有打滑，故受到的也是静摩擦力，因皮带向上的运动，故Q相对于皮带有向下的运动趋势；故Q受到的摩擦力方向向上，故C正确，D错误。
4． 如图所示，小军沿水平方向推一只放置在水平地面上较大的木箱，甲图中他用了50 N的力推，结果木箱不动，此时木箱受到的摩擦力为F1；乙图中他将力增大到100 N木箱恰好被推动，此时木箱受到的摩擦力为F2；丙图中小军把木箱推跑了，此时木箱受到的摩擦力为F3。若木箱对地面的压力为400 N，木箱与地面的动摩擦因数为0.2，则(　C　)
A．F1＝0 N，F2＝100 N，F3＝400 N
B．F1＝50 N，F2＝100 N，F3＝400 N
C．F1＝50 N，F2＝100 N，F3＝80 N
D．F1＝0 N，F2＝100 N，F3＝80 N
C 解析：甲图中他用了50 N的力推，结果木箱不动，则此时木箱受到的静摩擦力F1与推力大小相等，即F1＝50 N；乙图中他将力增大到100 N木箱恰好被推动，此时木箱受到的静摩擦力达到最大，摩擦力大小仍等于推力，即F2＝100 N；丙图中小军把木箱推跑了，此时木箱受到的摩擦力为滑动摩擦力，大小为F3＝μmg＝80 N。故选C。
5． 《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。如图所示，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，则(　CD　)
A．小球受到的摩擦力方向向下
B．若增大铁夹对小球的压力，小球受到的摩擦力变大
C．若增大铁夹对小球的压力，铁夹与球之间的最大静摩擦力变大
D．小球受到摩擦力与重力是一对平衡力
C 解析：对金属小球受力分析，在竖直方向上，小球受到重力和摩擦力，二力平衡，所以摩擦力方向竖直向上，增大压力，摩擦力不变，依然跟重力平衡。AB错误，D正确；若增大铁夹对小球的压力，铁夹与球之间的最大静摩擦力变大，可以夹起更重的金属球，C正确。
6 如图一女孩在健身器材上爬杆玩耍，女孩(　BD　)
A．抱住竖直杆不动时，抱得越紧所受摩擦力越大
B．抱住竖直杆不动时，抱得越紧二者间的最大静摩擦力越大
C．缓慢下滑过程中受到的摩擦力方向是向下的
D．缓慢向上攀爬过程中受到的摩擦力方向是向上的
BD 解析：当女孩抱住竖直杆不动时，女孩处于平衡状态，女孩受到的重力与静摩擦力大小相等，抱得越紧女孩受到的静摩擦力大小不变，但是二者之间的弹力增大，导致最大静摩擦力增大，故A错误，B正确；女孩缓慢下滑过程中受到的摩擦力方向与相对运动方向相反，方向竖直向上，故C错；女孩缓慢上爬的过程中，手相对于杆有向下运动的趋势，则此过程中女孩受到的静摩擦力方向向上，故D正确。
7．(2021·宁夏银川市银川一中高一期末)如图所示，用弹簧秤水平拉桌面上质量为5.0kg的物块，当物块在水平桌面上匀速运动时，弹簧秤的示数为10 N。求：
(1)物块受到的滑动摩擦力大小；
(2)物块与桌面之间的动摩擦因数μ的大小。
答案：(1)10 N　(2)0.2
解析：(1)当物块在水平桌面上匀速运动时，弹簧秤的拉力与摩擦力平衡，则物块受到的滑动摩擦力大小为Ff＝F＝10 N
(2)根据Ff＝μFN＝μmg
可得μ＝＝＝0.2
8 如图所示，一辆汽车在平直公路上，车上有一木箱，试判断下列情况中，木箱所受摩擦力的方向，并说明摩擦力充当动力还是阻力。
(1)汽车由静止加速运动时(木箱和车面无相对滑动)；
(2)汽车刹车时(二者无相对滑动)；
(3)汽车匀速运动时(二者无相对滑动)；
(4)汽车刹车，木箱在车上向前滑动时；
(5)汽车在匀速过程中突然加速，木箱在车上滑动时。
解析：(1)木箱随汽车一起由静止加速运动时，假设二者的接触面是光滑的，则汽车加速时，木箱由于惯性要保持原有静止状态。因此它将相对于汽车向后滑动，而实际木箱没有滑动，说明木箱有相对汽车向后滑动的趋势，所以，木箱受到向前的静摩擦力，此时静摩擦力是动力。
(2)汽车刹车时，速度减小，假设木箱与汽车的接触面是光滑的，则木箱将相对汽车向前滑动，而实际木箱没有滑动，说明木箱有相对汽车向前滑动的趋势，所以木箱受到向后的静摩擦力，此时静摩擦力是阻力。
(3)木箱随汽车一起匀速运动时，二者无相对滑动，假设木箱受水平向右的摩擦力，跟木箱接触的物体只有汽车，汽车最多能对它施加两个力(支持力F1和摩擦力F2)，由二力平衡条件知：F1与G抵消，但没有力与F2抵消，不能做匀速直线运动，这与题意矛盾，所以假设错误，即木箱不受摩擦力。
(4)汽车刹车，木箱相对于汽车向前滑动，易知木箱受到向后的滑动摩擦力，此时滑动摩擦力是阻力。
(5)汽车在匀速过程中突然加速，木箱相对于汽车向后滑动，易知木箱受到向前的滑动摩擦力，此时滑动摩擦力是动力。
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