探究最大静摩擦力与滑动摩擦力的关系.doc

探究最大静摩擦力与滑动摩擦力的关系摘要：随着基础教育第二轮课程改革的深入发展，教师的教学模式发生了很大的转变，由过去的传递接受式教学模式向探究式教学转变，探究式教学以问题解决为中心的，注重学生的独立活动，着眼于学生的思维能力的培养。实质就是唤起老师的教学热情，唤醒学生的内在潜力，让学生发展走向健康之路。物理是一门历史悠久的自然学科。随着科技的发展，社会的进步，物理已渗入到人类生活的各个领域,所以在物理教学中探究式教学尤其重要，通过探索物理现象，揭示隐藏其中的物理规律，并将其应用于生产生活实际，培养学生终身的探索乐趣、良好的思维习惯和初步的科学实践能力。本文主要探究最大静摩擦力，并提出一些自己的见解。关键字：现象分析、最大静摩擦力、猜想、探究、测量方式1 引言在日常的生活中，我们经常遇到这样的现象：推桌椅或衣柜时，由静止变为运动的瞬间，会突然变轻；用弹簧测力计拉重物时，当物体由静止到运动，弹簧测力计的读数会突然变小；一辆静止的汽车几个人用力推勉强推动，但是一旦汽车运动，就是减少一个人也能推动，等等。为什么会出现这种现象？2 现象的分析 根据物理学中的知识我们可知道，是因为物体所受的摩擦力大小改变的缘故。为什么同一物体由静止到运动时所受的摩擦力会变化？要研究这个问题，我们首先了解一下摩擦力。2.1摩擦力摩擦力产生条件：两物体接触且接触面粗糙，有相互作用的压力一一垂直于接触面的强力(正压力)，有相对运动或相对运动趋势。根据相对运动情况可以分为静摩擦力和滑动摩擦力。2.1.1静摩擦力概念：一个物体相对于另一个物体有相对运动趋势时产生的摩擦力方向：跟接触面相切，跟物体阀相对运动趋势的方向相反 图 1大小：0ffmax 静摩擦力的大小没有一个确定的值，当物块不动处于平衡状态时，静摩擦力的大小随拉力大小的变化而变化，总是等于拉力的大小最大静摩擦力fmax：静摩擦力增大到某数值后就不再增大了，这时静摩擦力达到最大值，静摩擦力的最大值。最大静摩擦力跟正压力成正比2.1.2滑动摩擦力概念：当相互接触（且相互挤压）的物体之间有相对滑动时，物体之间产生的阻碍物体相对运动力，称为滑动摩擦力 图 2方向：跟接触面相切，且与物体间相对运动方向相反 大小：滑动摩擦力跟正压力成正比，即f= N（N表示正压力的大小）动摩擦因数：无单位，与接触面的材料和粗度有关2.2 分析由以上摩擦力和物理学的知识得到：如图3一个重物静止放在粗糙的水平，现受到拉力F作用，随着拉力F逐渐增大，某一时刻物体由静止变为运动，则物体受到的摩擦力f随拉力F变化如图4所示，静止时摩擦力f随着拉力F的增加而增加，并且f=F;当物体运动后受到的摩擦力只跟和N有关，不在随外力变化。f=FfOFf=N运动静止 图 3 图 4通过图4就可以解释上述现象，物体在由静止到运动瞬间突然变轻是因为最大静摩擦力略大于滑动摩擦力f=N的缘故。这里就有一个新的问题了，在物体由静止变运动瞬间摩擦力f突然变小了，也就是静摩擦力跟滑动摩擦力是不连续的。那么为什么最大静摩擦力会大于滑动摩擦力？要研究这个问题，我们首先了解一下物体的受力情况和摩擦力测量方式。根据图3 可以看出，物体受到4个力分别是重力G、支持力N、摩擦力f和拉力F，此外滑动摩擦力还跟动摩擦因数有关。我们再了解摩擦力是怎么测出来的，根据物理教材摩擦力的测量都是根据物体处于平衡状态时合外力为零，间接测量出来的。3 探究原因那么最大静摩擦力会大于滑动摩擦力是不是跟动摩擦因数、重力G、支持力N、拉力F中的一个或几个有关呢？我们先假设跟其中一个或几个有关，再分析验证。3.1 跟重力和支持力的关系 由图3可知无论物体是静止还是匀速直线运动在竖直方向合外力为零，也就是物体的N=G。因为静摩擦力跟支持力无关，只有滑动摩擦力才跟支持力有关，f=F=N和 N=G 得到f=mg。又因为同一物体在同一地点质量m和重力加速度g是不变的跟运动状态无关，所以图4中的断层跟重力和支持力无关。3.2 跟动摩擦因数的关系动摩擦因数跟物体接触面的粗糙程度有关，同一重物接触面越粗糙动摩擦因数越大，接触面越光滑动摩擦因数越小。动摩擦因数在运动前后会不会在变化呢？如果动摩擦因数会变化，也就是物体的接触面的粗糙程度在变化。 图 5 图 6 图 7要是变化，怎么变化的？我们首先看看生活中的一个场景：水平的地面上长满竖直向上的草如图5所示，把一个物体轻轻放在草面上，由于重力作用草会被压倒，草倒的方向是杂乱无章的各个方向都有（如图6所示）接触面粗糙程度比较大；在外力作用下物体变为运动，此时草的倒向一致（如图7所示）此时接触面的粗糙程度比较小。其实物体粗糙的接触面上也有如地面上的草的物体，就是这些“草”阻碍了物体的运动 。由此我们可以得出，当物体在由静止到运动的瞬间，运动前的瞬间拉力F1比较大，因为接触面比较粗糙。运动后保持平衡拉力变小为F2，因为接触面的粗糙程度减小。又因摩擦力是通过拉力间接测得的,F1,F2fN, F1F2,得到f 也就是最大静摩擦力大于滑动摩擦力，解释了图4中的断层也解释了推或拉物体由静止变运动时突然变轻现象的部分原因。在实际中，粗糙面的变化是很小的，这也就解释了为了最大静摩擦力略大于滑动摩擦力。所以我们一般认为二者相等。3.3 跟拉力F有关跟拉力F有关包括跟拉力的大小和方向，还有用拉力测量摩擦力的方式有关。3.3.1 跟拉力的方向和大小有关先讨论拉力的方向，如图8所示物体有静止到运动，拉力的方向始终没有变化，所以跟拉力的方向没有关系。再看看跟拉力的大小有没有关系，在物体静止时，摩擦力的大小随着拉力的增加而增大， 图 8并且静摩擦力始终等于拉力，物体匀速运动后拉力等于摩擦力。静止时拉力大小决定摩擦力大小，而匀速运动时摩擦力的大小决定拉力大小。图示中4中的断层是不是跟决定的转变有关呢？在静止到运动的瞬间拉力的大小还跟摩擦力的大小相等吗？要想了解这些我们了解一下摩擦力的大小是怎么测量出来的。3.3.2 跟测量方式有关摩擦力的测量都是根据物体处于平衡状态时合外力为零，再求除摩擦力外其余共点力的合外力，再根据平衡的条件，得到合外力F等于摩擦力f。图8就是根据拉力F测得摩擦力，当物块不动处于平衡状态时，静摩擦力的大小随拉力大小的变化而变化，总是等于拉力的大小即f=F；当物体匀速直线运动时，物体处于平衡状态合外力为零， F=f=N。拉力F等于摩擦力f的前提条件时，物体处于平衡状态。但是我们发现物体在由静止变为运动的瞬间，有一个量发生了变化那就是速度，速度由0变到Vt。速度的变化就意味着有加速度的产生，而力是产生加速度的原因，说明此时的合图 9外力不再为零，也就是说物体不在平衡。由图9和牛顿第二定律可知： 因 F合 Fm a 与 a（VtVo） t a与F方向相同均为正故Fm a在物体静止时和匀速运动时，物体处于平衡状态合外力为零，拉力等于摩擦力。而在物体由静止变为运动的瞬间，平衡被打破合外力不再为零，拉力一部分抵消摩擦力，另一部分产生加速度，此时拉力F大于摩擦力f。但是我们在测量摩擦力时仍然认为拉力等于摩擦力，这就很好的解释了图4中的断层也解释了推或拉物体由静止变运动时突然变轻现象的原因。那么到底图4有没有断层呢？现举例来说明一下，水平地面上放置一桶水，给桶以竖直向上的拉力F，随着拉力的增加，水桶会由静止变为运动。在水桶从将要运动前的静止到速度恒定这段时间以及运动后，水桶的重力是没有变化的，同样，上述物体从将要运动前的静止到速度恒定这段时间以及运动后，受到的摩擦力也是不变的，所以说摩擦力有静摩擦力到滑动摩擦力在图4中应该是连续的（除去其他因素），断层只是测量方式的引起的。3. 总结通过上面的深入分析研究， 我们知道了推或拉物体由静止变运动时突然变轻现象的原因，其原因有以下两种：1.因为物体从将要运动前的静止到速度恒定这段时间内，摩擦力的大小本身是没有变化的，是因为平衡被打破合外力不再为零，拉力一部分抵消摩擦力，另一部分产生加速度，此时拉力F大于摩擦力f；速度恒定后物体又处于平衡状态，此时的拉力等于摩擦力，所以我们才会有突然变轻的感觉。2.由于接触面的粗糙程度在静止时和运动时有略微的不同引起的。我们经过分析发现，在静止时接触面的粗糙程度略大，而在运动后其程度略小，解释了推或拉物体由静止变运动时突然变轻现象的原因.这次研究我们也很好的解释了图4断层的原因，由于接触面粗糙程度的变化引起了断层，摩擦力的测量方式扩大了断层的差度。我们是通过间接测摩擦力大小的，在测量摩擦力时仍然认为拉力等于摩擦力，人为地扩大了最大静摩擦力。4.意义物理是一门历史悠久的自然学科，物理科学作为自然科学的重要分支，不仅对物质文明的进步和人类对自然界认识的深化起了重要的推动作用，而且对人类的思维发展也产生了不可或缺的影响。从亚里士多德时代的自然哲学，到牛顿时代的经典力学，直至现代物理中的相对论和量子力学等，都是物理学家科学素质、科学精神以及科学思维的有形体现。随着科技的发展，社会的进步，物理已渗入到人类生活的各个领域身边的事物是取之不尽的，对与现实生活联系很紧密的物理学科来说，更是时时