地面与静止斜面体间摩擦力的专题探讨.doc

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地面与静止斜面体间摩擦力的专题探讨

姓名： 肖贤忠
学科 ： 高中物理
职称： 中教一级

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地址： 湖南省郴州市王仙岭社区
邮编： 423000

地面与静止斜面体间摩擦力的专题探讨
[内容摘要]
本文就高三物理中的一个难点问题作了深入的专题分析，意在帮助学生由易到难，由浅入深，系统化地理解和掌握此类问题的分析方法，并希望学生能由此得到启发，在平时的学习中注意养成研究的习惯，培养兴趣。同时也希望能给高三一线教师在讲述这类问题时提供些参考和借鉴。
[关键词]
摩擦力、隔离法
[正文]
在多年的教学实践中，特别是高三物理教学实践中，常常能感受到学生在学习摩擦力时的困惑，复杂的受力分析，各种各样的情境，各种不同的条件，思维定势的影响，都会对学生的正确分析造成巨大的障碍。特别是涉及到多个物体间的静摩擦力，由于其相互关联，又静止不动，看不到具体明显的表象特征，即使是物理成绩不错的学生，仍然感到刺手。本文就该难点问题做一专题分析，结合课堂教学实录，探讨一下问题的各种情形，常用的方法，学生的困惑。
在教学实践中，为便于学生理解，问题应从易到难，从简到繁，系列化，系统化，否则学生容易相互混淆，并形成思维定势，看不到问题的实质。
问题：如图示，一粗糙斜面体B在水平地面上静止，物块A也静止于斜面上，试分析地面对斜面体B的静摩擦力的情况。

分析：把A、B看成一个整体，该整体处于平衡状态，系统所受合外力为零，系统只受地面的支持力和重力，如图示:
AB之间的相互作用力为内力。地面对物体无摩擦力，否则系统将失去平衡。
但是，单纯的整体法并不能消除学生的疑惑，很多同学感觉A物体有下滑的趋势，必拖动B物体有左移的趋势，所以地面对B应有向右的摩擦力。这种想法很自然，出错的地方是分析不全面，不应匆忙否定学生的想法，我们应顺着学生的想法进一步探讨：
对A物体受力分析如右图： 注意支持力与摩擦力的合力竖直向上与重力平衡。也可以认为摩擦力与重力沿斜面向下的分力平衡了，而斜面对A的支持力与重力的垂直分量平衡了。
那么对B物体呢？看下方受力图：
B物体受重力，支持力，A物体对它的压力和摩擦力，注意到B物体受到的摩擦力和压力分别是A物体受到的摩擦力与支持力的反作用力，因此，这两力的合力竖直向下，正因为如此，B物体并没有左移或右移的趋势，所以地面对B物体不会产生摩擦力。
拓展一：若A物体在静止的斜面上匀速下滑，地面对静止的斜面体有摩擦力吗？
分析：A物体在斜面上匀速下滑时，A物体和B物体的受力情形与A物体静止时的情形是一样的，这一点学生很容易理解。
拓展二：若A物体在静止的斜面上加速下滑，地面对静止的斜面体有摩擦力吗？
分析： A物体加速下滑，说明A物体受到的重力沿斜面向下的分力大于斜面对A的摩擦力，即摩擦力偏小，支持力与摩擦力的合力不再竖直向上，而是偏左，变成如下图所示:

与此相对应，斜面体B受力情况也发生了相应的变化。如图：

摩擦力与压力的合力也不再竖直向下，而是偏右，从而促使斜面体有右移的趋势，故地面对B产生向左的摩擦力。同理学生很容易分析出减速下滑的情形。
拓展三：物体A原本在静止的斜面体上匀速下滑，现对A物体施加一平行于斜面向下的推力F，地面对斜面体有摩擦力吗？

由于又多了一个力，学生普遍感觉难度加大了，我们仍用隔离法来分析：不加推力时，A匀速下滑，说明A处于平衡态，受力如下图

对应的B物体受力如图右：

施加推力后，A物体加速下滑，但B物体的受力情况却没有发生任何变化。理由是推力F是平行于斜面的，故A对B的压力没变，所以滑动摩擦力也没变，这两力的合力也就没变，仍竖直向下，B照样没有左右移的趋势，所以地面对B不会产生摩擦力。
拓展四：物体A原本在斜面体上匀速下滑，现对A物体施加一垂直于斜面向下的推力F，地面对斜面体有摩擦力吗？

沿着以上的思路分析，对B体来说，由于A对B的正压力加大了，所以滑动摩擦力也同时加大了，仔细观察，发现这两力的合力的方向却没有发生变化。理由是由f=µN知：N扩大多少倍，则f也同比例扩大多少倍，f与合力F的夹角β不会变，因为tanβ=N/f=1/µ.所以合力变大了，而合力的方向却没变，仍是竖直向下的，所以斜面体B并没有左右移的趋势，地面也就不会对斜面体B产生摩擦力。如图：

拓展五：如图示，物体A原本在静止的斜面体上匀速下滑，现对A物体施加一与斜面成θ角的向下的推力F，地面对静止的斜面体有摩擦力吗？

分析：问题看似复杂了，但如果我们仔细观察就会发现：如果把力F沿平行斜面和垂直斜面两个方向分解，依次观察它的两个分力就会不难发现，那分别是本文中拓展三和拓展四的情形。所以地面对斜面体仍不会产生摩擦力。
拓展六：如图示，物体A原本在静止的斜面体上匀速下滑，现对A物体施加一平行于斜面向上的推力F，在物体A速度减为零之前，地面对静止的斜面体有摩擦力吗？

分析：物体A速度减为零之前，A仍在下滑，A对斜面体的作用力没有发生任何变化，同拓展三一样。
总结一下：其实拓展五中的θ角是可以变化的，其不同的取值可以分别得到拓展三、拓展四、拓展六等多种情形，之所以要先讲拓展三和四，主要是让学生从易到难，容易理解，学生的认知是从片面走向全面的。同时让学生掌握隔离法这种分析的方法，并从不同物体的分析当中找到可以利用的信息，从不同情形的分析当中找到共通点，为学生打开思路，举一反三奠定基础。
为强化学生对此问题的理解，我们来看一道较为复杂的题：
如图所示，斜面体A静止放置在水平地面上．质量为m的滑块B在外力F1和F2的共同作用下沿斜面体表面向下运动，当F1方向水平向右，F2方向沿斜面体的表面向下时斜面体受到地面的摩擦力方向向左，在作用力改变的过程中斜面体A始终保持静止。则下列说法中正确的是：
A.若同时撤去F1和F2，滑块B的加速度方向一定沿斜面向下
B.若只撤去F1，在滑块B仍向下运动的过程中，A所受地面摩擦力的方向可能向右
C.若只撤去F2，在滑块B仍向下运动的过程中，A所受地面摩擦力的方向可能向右
D.若只撤去F2，在滑块B仍向下运动的过程中，A所受地面摩擦力不变
分析：首先仔细读题，从题目中获取信息：斜面体受到地面的摩擦力方向向左，即斜面体有右移的趋势，那就意味着B物体对斜面体A的两个作用力摩擦力与正压力的合力指向右下方，反过来，斜面体A对物体B的支持力与摩擦力的合力指向左上方，由本文中拓展四的分析知，只要物体仍在下滑，则这两力的合力的方向不会因F1和F2存在与否而改变，所以在撤去F1和F2后，斜面体A对物体B的支持力与摩擦力的合力仍指向左上方，同时，物体B还受到竖直向下的重力G，如图示：滑块B现在可以看成只受两力：重力G与F(f与N的合力)，而F与G的合力肯定是沿着斜面向下的，理由是;由图可知重力G与F的合力肯定偏离竖直方向向左，且合力不为零，同时物块不可能离开斜面飞起来，故只能沿着斜面向下运动，而且是加速运动。所以A选项是对的。
同时，由本文中拓展四的分析知，只要物体仍在下滑，B物体对斜面体A的两个作用力摩擦力与正压力的合力的方向不会因F1和F2存在与否而改变，只要物块仍在下滑，不管撤去F1还是F2，物块对斜面体A的两个作用力摩擦力与正压力的合力的方向都不会变，仍指向右下方，所以斜面体有右移的趋势，故应受到地面向左的摩擦力。所以选项B和C都是错的，而D是正确的。
在这里，我们看到复杂问题的背后是一些简单问题的演绎，长期的高三物理教学实践表明：如果我们就题论题，学生往往听不懂，而且即使当时听懂了，过一段时间又忘了，原因是没有找到问题的根本，抓住它的实质，没有一种循序渐进的，由易到难的研究过程。所以，平时上课的时候注意引导学生采用简单的方法，由浅入深地分析一些问题，不仅可以化繁为简，降低学生理解的难度，更重要的是引导学生养成研究问题的习惯和兴趣，感受到自然科学的无穷魅力。