滑动摩擦力做功“Q=fs相对”模型

1、摩擦生热的“ Q=f s相对”模型太原市第十二中学 姚维明模型建构：摩擦力属于“耗散力”，做功与路径有关，如果考虑摩擦力做功的过程中与产生热能关系时，很多学生就会对之束手无策，从近几年的高考命题中，这类问题是重点 也是难点问题，以下就针对摩擦力做功与产生热能的关系作一总结的分析【模型】一个物体在另一个物体上相对滑动 ，摩擦产生的热量“ Q=f s相对”【特点】只有滑动摩擦力才能产生内能，静摩擦力不会产生内能；摩擦产生的内能等于滑动摩擦力与相对路程的乘积；一般要结合动量守恒定律解题；两物体速度相同时，发热产生的内能最大。【模型1】如图1所示，在光滑水平面上放一质量为M的长木板，质量为 m的小物体

2、从木板左侧以初速度 vo滑上木板，物体与木板之间的滑动摩擦系数为卩，求最终两者的速度系统发热产生的内能解析物体滑上木板后受摩擦阻力作用做减速运动，而木板 受摩擦动力作用做加速运动，当两者速度相同时，无相对运动， 滑动摩擦力消失，以后系统以共同的速度匀速运动根据动量定理： m vo= ( m+M ) v解得：v =VoM +m如图9所示，设物体对地的位移为 S1,木板对地的位移为 S2根据动能定理：1 2 1 2对 m：- mgs 二一mv -一 mvo2 21 2对 M: Jmgs2Mv 解得：212 12 12-mg(ss2)mv0 -( mv Mv )2 2 2vo .m相-M电S2 1-

3、*S1图91 2 M=mv0 12 M m可见：系统机械能的减少量全部转变成了内能。发热损失的能量Q= 口 mgs相对模型典案:【典案1】如图11所示，质量为M=1kg的平板车左端放一质量为m=2kg的物体与车的摩擦系数卩=0.5。开始车与物体同以 v=6m/s的速度向右在光 滑水平面上运动，并使车与墙发生正碰。 设车与墙碰撞时间极短， 且碰后车的速率与碰前相等，车身足够长。求：物体相对车的位移小车第一次与墙碰撞以后，小车运动的位移。解析 由于M v m，且每次碰前它们的速率相等 ，且相对位移逐渐增大，发热产 生的内能逐渐增加，机械能逐渐减小，所以在整个运动过程中， 系统的总动量越来越小, 但

4、方向始终向右，最后小车一定停止于墙壁处.。系统的初动能全部转化为内能1 2因此：Jmgs相(M m)v0,2解得物体相对于小车的总位移6=5.4m(2)设小车每次与墙壁碰撞后，向左运动的最大位移分别为Si、S2、S3”贝小车运动的总路程为S=2 S1+2S2+2S3,1 2由动能定理Lmgs1Mv 0,2Mv2得：s1 =1.8m ,2Mmg第二次碰撞后，设小车的速度为v1由动量定理得： mVo - Mv o = M m Vi,M - m1v 1 v 0 v 0M m3同理由得：S2Mv1s，!,224mg 32 1=2 S1 1亍Si一=2 xSi-=4.05m11 -9【典案2】如图所示，

5、一质量为 M、长为L的长方形木板B放在光滑的水平地面上，在其右端放一质量为 m的小木块A，mv M。现以地面为参照系， 给A和B以大小相等、方向相反的初速度，使A开始向左运动,B开始向右运动，但最后 A刚好没有滑离B板。(1)若已知A和B的初速度大小为V。，求它们最后的速度| B v0 A_77777777777777777大小和方向.(2)若初速度的大小未知，求小木块A向左运动到达的最远处(从地面上看)离出发点的 距离v0IHfpL0LS32S24 Si ,33代入得：S=2 Si+2S2+2S3,解析方法1、用牛顿第二定律和运动学公式求解。A刚好没有滑离B板，表示当A滑到B板的最左端时，A

6、、B具有相同的速度，设此速 度为V，经过时间为t，A、B间的滑动摩擦力为f。如图所示。对A据牛顿第二定律和运动学公式有：f=maA，L2= VotaAt2v=-vo+aAt ；对B据牛顿第二定律和运动学公式有:1 2f=MaB，L0 = v0taBt ，v=vo-aBt；2由几何关系有：Lo+L2=L ;由以上各式可求得它们最后的速度大小为M mJ M mvo，方向向右。2mMv0M m对A，向左运动的最大距离为2Vo2aAm M一 4ML。程，如图2所示，设A与B之间的滑动摩擦力为f，对于1 2B :-fLo= Mv1 2mv222 o对于A :-fLi= -mv：2、1 f (L1-L2)

7、=2 mv2由几4何关系Lo+L2=L由、联立求得(M m)LLi=4M方法2、用动能定理和动量定理求解。A刚好没有滑离B板，表示当A滑到B板的最左端时，A、B具有相同的速度，设此速 度为V，经过时间为t， A和B的初速度的大小为 Vo,则据动量定理可得：对A：ft= mV+ mVo对B：-ft=MV Mvo解得：M -mV=vo，力向向右M mA在B板的右端时初速度向左，而到达 B板左端时的末速度向右，可见A在运动过程中必须经历向左作减速运动直到速度为零，再向右作加速运动直到速度为 V的两个阶段。设Li为A开始运动到速度变为零过程中向左运动的路程，L2为A从速度为零增加到速度为 V的过程中向

8、右运动的路程，Lo为A从开始运动到刚好到达 B的最左端的过程中 B运动的路则由动能定理可得：方法3、用能量守恒定律和动量守恒定律求解。A刚好没有滑离B板，表示当A滑到B板的最左端时，A、B具有相同的速度，设此速 度为V， A和B的初速度的大小为 Vo,则据动量守恒定律可得：Mvo mvo= ( M + m) v解得：v=性vo,方向向右M + m1 2 1 2对系统的全过程，由能量守恒定律得：Q =fL= 一( M - m)v0(m M )v2 21 2对于 A fLi= mv02由上述二式联立求得 L1=(M m)L.4M点评：从上述三种解法中，不难看出，解法三简洁明了，容易快速求出正确答案

9、。因此我们在解决动力学问题时，应优先考虑使用能量守恒定律和动量守恒定律求解，其次是考虑使用动能定理和动量定理求解，最后才考虑使用牛顿第二定律和运动学公式求解。点评：一个物体在另一个物体表面上相对运动时，发热产生的内能等于滑动摩 擦力与两物体相对位移的积。静摩擦力对物体做功没有相对位移，因此不会产生内能！系统发热损失的能量 Q= 口 mgS相对=E初-E末(E初和E末分别为系统始末状态的机 械能)模型体验：【体验1】质量为M的小车A左端固定一根轻弹簧，车静止在光滑水平面上，一质量为m的小物块B从右端以速度Vo冲上小车并压缩弹簧，然后又被弹回，回到车右端时刚好与车保持相对静止。求这过程弹簧的最大弹

10、性势能Ep和全过程系统摩擦生热 Q各多少？简述B相对于车向右返回过程中小车的速度变化情况。解析全过程系统动量守恒， 小物块在车左端和回到车右端两个时刻，系统的速度是相同的，都满足：mv=(m+M)v ；第二阶段初、末系统动能相同，说明小物块从车左端返回车右端过程中弹性势能的减小恰好等于系统内能的增加，即弹簧的最大弹性势能Ep恰好等于返回过程的摩擦生热，而往、返两个过程中摩擦生热是相同的，所以Ep是全过程摩擦生热 Q的一半。又因为全过程系统的动能损失应该等于系统因摩擦而增加的内能，所以 Ek=Q=2Ep而MmvLk 2M m- Ep2 2Mmv0 小 Mmv0I, i4 M m 2 M m至于B

11、相对于车向右返回过程中小车的速度变化，则应该用牛顿运动定律来分析：刚开始向右返回时刻，弹簧对B的弹力一定大于滑动摩擦力，根据牛顿第三定律，小车受的弹力F也一定大于摩擦力f，小车向左加速运动；弹力逐渐减小 1建构物理模型，巧手探析题目而摩擦力大小不变，所以到某一时刻弹力和摩擦力大小相等，这时小车速度最大；以后弹力将小于摩擦力，小车受的合外力向右，开始做减速运动；B脱离弹簧后，小车在水平方向只受摩擦力，继续减速，直到和 B具有向左的共同速度，并保持匀速运动。【体验2】质量为M的足够长的木板，以速度 V。在光滑的水平面上向左运动，一质量为m(Mm )的小铁块以同样大小的速度从板的左端向右运动，最后二

12、者以共同的速度v =1v)做匀速运动。若它们之间的动摩擦因数为二。求：3(1) 小铁块向右运动的最大距离为多少？(2) 小铁块在木板上滑行多远？解析小铁块滑上木板后，由于铁块相对木板向右滑动，铁块将受到向左的滑动摩擦力作用而减速，木板将受到向右的滑动摩擦力作用而减速。由于M m，所以当m的速度减为零时，M仍有向左的速度，m相对于M仍向右滑行，m将在向左的滑动摩擦力作用下相对地面向左做初速为零的匀加速运动，木板M继续向左减速，直到二者达到相同的速度，而后保持相对静止一起向左匀速运动。正确理解“小铁块向右运动的最大距离”和“在木板上滑行距离”的区别是解决问题的关键。(答案：(1)J ；( 2)L

13、少0(M m)2巴；()9Mmg丿体验3一传送带装置示意图如图，其中传送带经过AB区域时是水平的，经过 BC区域时变为圆弧形(圆弧由光滑模板形成，末画出)，经过CD区域时是倾斜的，AB和CD都与BC相切。现将大量的质量均为 m的小货箱一个一个在 A处放到传送带上，放置时初速为零，经传送带运送到 D处，D和A的高度差为h。稳定工作时传送带速度不变，CD段上各箱等距排列，相邻两箱的距离为 L。每个箱子在A处投放后，在到达B之前已经相对于 传送带静止，且以后也不再滑动(忽略经BC段时的微小滑动)。已知在一段相当长的时间 T内，共运送小货 箱的数目为N。这装置由电动机带动， 传送带与轮子间 无相对滑动，不计轮轴处的摩擦。求电动机的平均输出 功率P。解析电动机做功的过程，电能除了转化为小货箱的机械能，还有一部分由于小货箱和传送带间的滑动摩擦而转化成内能。摩擦生热可以由Q=fd求得，其中f是相对滑动的两个物体间的摩擦力大小，d是这两个物体间相对滑动的路程。本题中设传送带速度一直是v,则相对滑动过程中传送带的平