解析有关滑动摩擦力的几个误区

新课程改革标准降低了对摩擦力的要求,但滑动摩擦力问题仍然是高中物理学习中的一个难点。在求解涉及滑动摩擦力的物理问题时很多同学往往出现这样那样的问题,其主要原因是对滑动摩擦力的物理意义理解不到位。我分析了同学们出现的错误,主要有以下几个方面的原因。

一、认为接触面的正压力,都是由于物理体的重力引起的。

不少同学在求解滑动摩擦力时往往把重力都当作正压力代入求解,造成这一误解的根本原因是没有理解正压力F=μF的物理意义,而是只死记书上典型例题中正压力等于重力的情形,生搬硬套,造成错误。F是对物体表面的垂直作用力,而不是物体本身的重力。只有在水平面上,竖直方向上只受重力和支持力,且二力平衡时,物体间的正压力才等于重力。如图1所示,物体M与墙是接触的,但其对墙壁的压力是0而不是mg。

二、认为物体间的滑动摩擦力的大小与物体间的相对运动速度大小有关。

这是由于在日常生活中拉动一物体在水平面上加速运动时需要的力大,并且速度越大越费力。其实滑动摩擦力F=μF,只与物体间的动摩擦因数和物体间的正压力有关。如图2所示,一个匀质木板长为L、重为G,放在水平桌面上(假设桌面足够长),在一水平推力F的作用下,先加速运动到A,然后匀速运动到桌子的右端,最后推出桌面一部分,但木板未掉下来。问:在这一运动过程中,木板受到的摩擦力怎样变化?

在回答这类问题时,很多同学认为物体在加速运动的过程中所受的摩擦力最大,匀速运动过程次之,当木板被推出桌面后,随着木板和桌面间的接触面积的减小,其所受的摩擦力也逐渐减小。其实这是不对的,因为木板在向右运动的过程中,在竖直方向上始终只受重力和桌面支持力的作用,即F=mg,木板与桌面间的粗糙程度和接触材料都没有改变,即不变,依据公式可知,木板所受摩擦力在整个过程中是恒定的,即F=μmg。

三、认为物体间受的滑动摩擦力的方向总与物体运动的方向相反,即认为滑动摩擦力一定是阻力。

造成这一误解的原因是在中学物理中同学们所遇的大多数物理情景都是以地面和地面上的固定物体为参考系的,而滑动摩擦力是以对方为参考系的,故不少同学对“滑动摩擦力的方向与物体相对运动方向相反”这句话中的“相对”二字的含义理解不深刻。“相对”既不是相对地面,又不是相对观察者,而是相对跟它接触的、使它产生滑动摩擦力的物体,即相对于施力物体。如图3所示,在长木板A上放着一块木板B,当长木板A在拉力F的作用下向右做加速运动时,木板B随长木板A一起向运动,但木板B的速度v小于A的速度v。这种情况下,木板B受的摩擦力的方向,就与其运动方向相同。因为虽然木块B的运动方向是向右的,但它相对于长木板A的运动方向却是向左的。

四、认为静止的物体不可能受滑动摩擦力的作用。

造成这一错误认识的原因在于通常我们说一个物体是静止的,都是相对于地面参考系而言的,而滑动摩擦力是在两个相对运动物体间产生的。例如图4所示,有一固定在地面上的木板A,上面放一个重G=10N的物体B,并在F=6N的拉力作用下运动。若A、B间的动摩擦因数μ=0.5,问:B对A是什么摩擦力,其大小是多大?这里木板A虽然是静止的,但相对于物体B却是运动的,故B对A的作用力是滑动摩擦力,其大小F=μF=5N。

总之,造成以上错误认识的根本原因是学生对滑动摩擦力概念的理解不够全面、不够深刻,没有对研究的对象加以认真分析。只有深刻理解滑动摩擦力的“阻碍物体相对运动”,学生才能在分析有关滑动摩擦力问题时不出错。

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