高中物理新教材同步必修第一册 第3章 2 第1课时 滑动摩擦力和静摩擦力

2 摩擦力 第1 课时 滑动摩擦力和静摩擦力 [学习目标] 1.知道滑动摩擦力的概念及产生条件，会判断滑动摩擦力的方向.2.知道滑动摩 擦力的大小跟什么有关，会求滑动摩擦力.3.知道静摩擦力的概念及产生条件，会判断静摩擦 力的方向.4.知道最大静摩擦力的概念，知道静摩擦力的大小范围． 一、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＝μF 压． (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． 二、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< F ≤ F max. 1．判断下列说法的正误． (1)有相对运动或有相对运动趋势的物体间一定有摩擦力．( × ) (2)摩擦力的方向一定与接触面所受的压力方向垂直．( √ ) (3)摩擦力的方向不可能与物体的运动方向相同．( × ) (4)一个静止的物体也可能受到滑动摩擦力．( √ ) (5)物体所受的滑动摩擦力与物体的重力成正比．( × ) 2．已知木箱重力为200 N，木箱与水平桌面间的动摩擦因数为0.2，当木箱在水平桌面上以 10 m/s 的速度运动时，木箱所受桌面的摩擦力大小为______ N；当用20 N 水平外力推木 箱没有推动时，木箱受到的摩擦力大小为________ N；当在该木箱上放一相同的木箱，两 木箱一起以15 m/s 的速度运动时，下面木箱所受桌面的摩擦力大小为________ N. 答案 40 20 80 一、滑动摩擦力 导学探究 1．按如图1 所示实验装置做一做：用力拉动木板，使之在桌面上滑动． 图1 (1)木块受到的摩擦力大小和弹簧测力计示数有什么关系？ (2)在木块上添加重物，增大木块对木板的压力时，摩擦力如何变化？ (3)在木板上铺一块较粗糙的毛巾，摩擦力如何变化？ 答案 (1)相等 (2)增大 (3)增大 2．如图2，木块放在木板上，用外力把木板向右抽离，在此过程中 图2 (1)木块相对地面向什么方向运动？相对于木板向什么方向运动？木块受到的摩擦力方向如 何？ (2)滑动摩擦力总是阻碍物体的运动吗？ 答案 (1)木块相对地面向右运动，相对木板向左运动，木块受到的滑动摩擦力方向向右， 与木块运动方向相同． (2)滑动摩擦力一定阻碍物体的相对运动，但与物体的运动方向可能相同，也可能相反，即 滑动摩擦力可能是动力，也可能是阻力． 知识深化 1．滑动摩擦力产生的条件 (1)两物体相互接触挤压(即有弹力)． (2)物体间的接触面不光滑． (3)两物体间存在相对运动． 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． 3．滑动摩擦力的大小 (1)公式法：根据公式Ff＝μFN计算． ①正压力FN是物体与接触面间的压力，不一定等于物体的重力，FN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． 命题角度1 滑动摩擦力方向及影响因素 有关滑动摩擦力，下列说法中正确的是( ) A．滑动摩擦力的方向一定与物体运动方向相反 B．滑动摩擦力的方向一定与两物体间相对运动的方向相反 C．物体在支持面上的滑动速度越大，滑动摩擦力也一定越大 D．接触面间接触面积越大，滑动摩擦力也一定越大 答案 B 解析 滑动摩擦力总是阻碍物体间的相对运动，滑动摩擦力的方向一定与物体相对运动的方 向相反，但不一定与物体运动方向相反，故A 错误，B 正确；滑动摩擦力的大小Ff＝μFN， 与物体在支持面上的滑动速度无关，与接触面积也无关，故C、D 错误． 命题角度2 滑动摩擦力的计算 质量为3 kg 的木块放在水平地板上，用F＝6 N 且水平向右的拉力拉该木块时，木 块恰能做匀速直线运动．(g 取10 N/kg)求： (1)木块与地板间的动摩擦因数； (2)若在木块运动过程中撤去拉力，在木块继续向前滑行的过程中，木块受到的摩擦力是多大？ (3)若F 的大小变为10 N，则木块受到的摩擦力是多大？ (4)若在木块运动过程中将F 的方向改为水平向左，则在木块向右运动过程中，受到的摩擦 力是多大？方向如何？ (5)若F 的大小不变而将方向改为竖直向上作用于该木块上，则此时应加一个多大的水平拉 力，才能使该木块保持匀速直线运动状态． 答案 (1)0.2 (2)6 N (3)6 N (4)6 N 方向水平向左 (5)4.8 N 解析 (1)木块做匀速直线运动，则滑动摩擦力Ff1＝F＝6 N， 而Ff1＝μFN＝μmg， 故μ＝＝＝0.2. (2)Ff2＝μFN＝Ff1＝6 N. (3)Ff3＝μFN＝Ff1＝6 N. (4)Ff4＝μFN＝Ff1＝6 N，方向水平向左． (5)此时木块和地板间的压力FN′＝mg－F＝24 N，Ff5＝μFN′＝4.8 N．则此时要保持木块匀速 运动，需满足拉力F′＝Ff5＝4.8 N. 二、静摩擦力 导学探究 把木块放在水平桌面上，用弹簧测力计沿水平方向向右拉木块，如图3 所示． 图3 当测力计的示数为1 N 时，木块没有动；逐渐增大拉力到2 N 时，木块仍静止；继续增大拉 力到4 N 时，木块开始运动，此时拉力突然变小到3.8 N，此后木块匀速运动，拉力保持3.8 N 不变． (1)木块受到的拉力为1 N 时，有相对桌面运动的趋势但没有运动，说明什么呢？ (2)随着外力的增大，静摩擦力有什么变化？当变为滑动摩擦力时，摩擦力为什么又变小了？ 答案 (1)说明桌面对木块施加了一个与拉力方向相反、大小也为1 N 的力，这个力就是桌 面对木块的静摩擦力． (2)静摩擦力的大小随着外力的增大而增大，但有一个最大值．这个最大值比滑动摩擦力稍 微大一些． 知识深化 1．静摩擦力的产生条件 (1)两物体直接接触且相互挤压(即有弹力)． (2)接触面粗糙． (3)两物体间有相对运动的趋势． 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)当物体处于平衡状态(静止或匀速直线运动)时，与使物体产生运动趋势的外力方向相反． 3．静摩擦力的大小 (1)范围：0＜F≤Fmax. (2)计算：物体做匀速直线运动或静止时，根据二力平衡条件求解． (3)静摩擦力大小与正压力无关． 4．说明 (1)静摩擦力的方向与相对运动趋势的方向相反，与运动方向可能相同，也可能相反． (2)静摩擦力发生在相对静止的两物体之间，受静摩擦力作用的物体不一定是静止的，运动 的物体也可能受静摩擦力作用． 关于静摩擦力，下列说法中正确的是( ) A．受静摩擦力作用的物体一定是静止的 B．静摩擦力总是阻力 C．静摩擦力的方向跟物体间相对运动趋势的方向相反 D．两个物体之间的静摩擦力总是一个定值 答案 C 解析 静摩擦力产生在两个相对静止的物体之间，但物体可以是运动的，所以A 错误；静 摩擦力的作用是阻碍物体间的相对运动趋势，方向与物体间相对运动趋势的方向相反，但可 能与运动方向相同，所以B 错误，C 正确；两物体间静摩擦力的大小由平行于接触面的力决 定，因此D 错误． (多选)如图4 所示，用水平力F 把一铁块紧压在竖直墙壁上保持静止，当F 增大时( ) 图4 A．墙对铁块的弹力增大 B．墙对铁块的摩擦力增大 C．墙对铁块的摩擦力不变 D．墙对铁块的摩擦力减小 答案 AC 解析 铁块相对墙壁静止，铁块与墙壁之间存在弹力，墙壁对铁块的弹力与水平力F 是一 对平衡力，墙对铁块的弹力随水平力F 的增大而增大，选项A 正确；铁块相对墙壁静止， 但有下滑趋势，所以铁块受向上的静摩擦力作用，且静摩擦力与重力平衡，所以摩擦力大小 不变，选项C 正确，B、D 错误． 三、摩擦力的综合分析与计算 如图5 所示，质量为20 kg 的物体静止在水平地面上，已知物体与水平地面间的最 大静摩擦力为120 N，动摩擦因数是0.5，物体的一端与一根劲度系数为4×103 N/m 的水平 轻质弹簧相连(设弹簧的形变始终在弹性限度内，取g＝10 m/s2)，问： 图5 (1)将弹簧拉长2 cm 时，地面对物体的摩擦力Ff1多大？ (2)将弹簧拉长4 cm 时，地面对物体的摩擦力Ff2多大？ (3)物体在水平地面上匀速直线运动时，弹簧形变量x 多大？ 答案 (1)80 N (2)100 N (3)0.025 m 解析 (1)根据胡克定律F＝kx，当x1＝2 cm＝0.02 m 时， F1＝4×103×0.02 N＝80 N 由于拉力F1小于最大静摩擦力，物体具有向右的运动趋势，此时地面对物体的静摩擦力大 小为Ff1＝80 N. (2)当x2＝4 cm＝0.04 m 时， F2＝4×103×0.04 N＝160 N，大于最大静摩擦力，物体已经运动，这时摩擦力为滑动摩擦力， 大小为Ff2＝μFN＝μmg＝0.5×20×10 N＝100 N. (3)当物体在水平地面上匀速运动时，物体受滑动摩擦力，滑动摩擦力和弹簧拉力为一对平 衡力，即弹簧拉力F＝μmg＝100 N，由F＝kx，解得x＝ m＝0.025 m. 计算摩擦力的思路 1．根据拉力F 和最大静摩擦力的大小关系判断物体受静摩擦力还是滑动摩擦力． 2．静摩擦力可用二力平衡求解，滑动摩擦力可用公式Ff＝μFN求解． 1．(对滑动摩擦力的理解)关于滑动摩擦力，下列说法正确的是( ) A．滑动摩擦力与物体的重力成正比 B．受滑动摩擦力作用的物体一定是运动的 C．滑动摩擦力的方向总是与物体运动方向相反 D．滑动摩擦力总是阻碍物体间的相对运动 答案 D 解析 滑动摩擦力与物体间的正压力成正比，选项A 错误；受滑动摩擦力作用的物体可能 是运动的，也可能是静止的，如木块在桌面上滑动，静止的桌面也受到滑动摩擦力，选项B 错误；滑动摩擦力的方向总是与物体相对运动的方向相反，阻碍物体间的相对运动，但是与 物体运动的方向可能相反也可能相同，选项C 错误，D 正确． 2.(对静摩擦力的理解)(多选)如图6 所示，人握住旗杆匀速上爬，则下列说法正确的是( ) 图6 A．人受到的摩擦力的方向是向下的 B．人受到的摩擦力的方向是向上的 C．手握旗杆的力越大，人受到的摩擦力越大 D．若人匀速滑下，则人受到的摩擦力为滑动摩擦力，大小等于匀速上爬的摩擦力 答案 BD 解析 人匀速上爬，受力平衡，则人所受摩擦力与重力大小相等、方向相反．手握旗杆的力 增加，但人所受摩擦力不变，选项B 正确，选项A、C 错误；当匀速滑下时，人受到的摩擦 力为滑动摩擦力，且仍与重力平衡，选项D 正确． 3．(摩擦力的计算)如图7 所示，在μ＝0.1 的水平面上有一个向右运动的物体，质量为20 kg，在运动过程中，还受到一个方向水平向左的大小为10 N 的拉力的作用，则物体受到的 滑动摩擦力为(g 取10 N/kg)( ) 图7 A．10 N，向右 B．10 N，向左 C．20 N，向右 D．20 N，向左 答案 D 解析 Ff＝μFN＝μmg＝20 N，方向与相对运动方向相反，故选项D 正确． 4．(摩擦力的计算)某物体所受重力为200 N，放置在水平地面上，地面对它的最大静摩擦力 为80 N，它与地面间的动摩擦因数为0.39. (1)用60 N 的水平推力推物体，求此时地面对物体的摩擦力的大小； (2)物体运动起来后，若使其保持匀速直线运动，求在水平方向施加的推力的大小； (3)物体在水平推力作用下做匀速直线运动的过程中，若撤去水平推力，直到停止前，求地 面对物体的摩擦力的大小． 答案 (1)60 N (2)78 N (3)78 N 解析 (1)地面对物体的最大静摩擦力为Fmax＝80 N．用F1＝60 N 的水平推力推物体，推力 小于地面对物体的最大静摩擦力，物体仍保持静止，根据平衡条件得地面对物体的摩擦力大 小是Ff＝F1＝60 N. (2)物体运动起来后，若使其保持匀速直线运动，则水平推力与滑动摩擦力平衡，则有水平 推力F2＝Ff′＝μFN＝μG＝78 N. (3)若撤去水平推力，直到停止前，地面对物体的摩擦力仍为滑动摩擦力，大小为78 N. 考点一 对摩擦力的理解 1．(2019·北京师范大学附属中学高一上期末)下列关于摩擦力的说法中正确的是( ) A．摩擦力大小总跟接触面上的压力大小成正比 B．摩擦力的方向一定与物体的运动方向相反 C．滑动摩擦力大小跟两物体间相对运动的速度大小成正比 D．两物体间有摩擦力就一定有弹力，且两者方向互相垂直 答案 D 解析 滑动摩擦力大小总跟接触面上正压力大小成正比，选项A 错误；摩擦力的方向一定 与物体的相对运动方向相反，选项B 错误；滑动摩擦力大小跟两物体间相对运动的速度大 小无关，选项C 错误；根据摩擦力产生的条件可知，两物体间有摩擦力就一定有弹力，且 两者方向互相垂直，选项D 正确． 2．关于滑动摩擦力，下列说法正确的是( ) A．正压力越大，滑动摩擦力越大 B．正压力不变，动摩擦因数不变，接触面积越大，滑动摩擦力越大 C．正压力不变，动摩擦因数不变，速度越大，滑动摩擦力越大 D．动摩擦因数不变，正压力越大，滑动摩擦力越大 答案 D 解析 由滑动摩擦力公式Ff＝μFN知，两物体间滑动摩擦力的大小只与动摩擦因数μ 及正压 力FN有关，与接触面积及两物体间的相对运动速度无关． 3．关于μ＝，下列说法中正确的是( ) A．动摩擦因数μ 与滑动摩擦力Ff成正比，Ff越大，μ 越大 B．动摩擦因数μ 与正压力FN成反比，FN越大，μ 越小 C．相同的条件下，接触面积越大，动摩擦因数越大 D．动摩擦因数μ 的大小由两物体接触面的粗糙程度及材料决定 答案 D 解析 动摩擦因数由两物体接触面的粗糙程度及材料决定，与正压力、接触面积及滑动摩擦 力无关，选项A、B、C 错误，D 正确． 考点二 摩擦力的大小 4．一物体置于粗糙水平地面上，按图1 所示不同的放法，在水平力F 的作用下运动，设地 面与物体各接触面间的动摩擦因数相等，则物体受到的摩擦力的大小关系是( ) 图1 A．F 甲＞F 乙＞F 丙 B．F 乙＞F 甲＞F 丙 C．F 丙＞F 乙＞F 甲 D．F 甲＝F 乙＝F 丙 答案 D 解析 滑动摩擦力Ff＝μFN，滑动摩擦力与接触面间的动摩擦因数以及正压力有关，三种情 况下μ 相同，FN也相等，故三种情况下的滑动摩擦力大小相等． 5．如图2 甲所示，某同学用水平绳拉放在平台上的行李包，一直没有拉动，通过手上的弹 簧测力计测出拉力F 与时间t 的关系如图乙所示，则行李包与地面的摩擦力的大小与时间t 的关系图像正确的是( ) 图2 答案 A 解析 该同学没有拉动行李包，说明行李包与平台间的摩擦力是静摩擦力，此时静摩擦力与 拉力大小相等，故A 正确． 6.(2019·上杭一中期中)一块质量为1 kg、长为0.4 m 的匀质长木板放在固定的水平桌面上， 已知木板与桌面间的动摩擦因数为μ＝0.2，重力加速度g 取10 m/s2，当用水平力F＝3 N 推 木板，使它经过如图3 所示的位置时，桌面对木板的摩擦力为( ) 图3 A．3 N B．2 N C．1.5 N D．0.5 N 答案 B 解析 因为木板被推动，所以木板受的摩擦力为滑动摩擦力，木板对桌面的压力FN＝mg＝ 10 N，所以桌面对木板的滑动摩擦力为Ff＝μFN＝2 N，B 正确． 7．图4 甲中小明用60 N 的水平力推木箱，此时木箱受到的摩擦力为F1；乙图中小明用100 N 的水平力恰好能推动木箱，此时木箱受到的摩擦力为F2；丙图中小明把木箱推动了，此 时木箱受到的摩擦力为F3.已知木箱对地面的压力为300 N，木箱与地面间动摩擦因数为 0.3，则F1、F2、F3的大小分别为( ) 图4 A．0 N,100 N,300 N B．60 N,100 N,90 N C．60 N,100 N,300 N D．0 N,100 N,90 N 答案 B 解析 用60 N 的水平力没推动，木箱受力平衡，静摩擦力等于推力，F1＝60 N，用100 N 的水平力恰好能推动，此时木箱受的静摩擦力达到最大值，即F2＝100 N．木箱运动之后， 木箱受滑动摩擦力F3＝μFN＝μmg＝90 N. 8．(2019·成都七中高一下入学考试)如图5 所示，将一张A4 纸(质量可忽略不计)夹在水平放 置的物理书内，书对A4 纸的压力为3 N，A4 纸与书之间的动摩擦因数为0.3，要把A4 纸从 书中拉出，拉力至少应为(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)( ) 图5 A．0.9 N B．1.8 N C．9.0 N D．18 N 答案 B 解析 A4 纸与书上、下两个接触面都有滑动摩擦力，则有Ff＝2μFN＝2×0.3×3 N＝1.8 N； 当拉力等于最大静摩擦力时，拉力最小，所以B 正确． 9．(多选)运动员双手握住竖直杆匀速攀上和匀速滑下的过程中，运动员受到的摩擦力分别 为Ff1和Ff2，不计空气阻力，那么( ) A．Ff1方向竖直向下，Ff2方向竖直向上，且Ff1＝Ff2 B．Ff1方向竖直向上，Ff2方向竖直向上，且Ff1＝Ff2 C．Ff1为静摩擦力，Ff2为滑动摩擦力 D．Ff1为静摩擦力，Ff2为静摩擦力 答案 BC 解析 运动员攀上竖直杆过程中受静摩擦力作用，滑下过程受到滑动摩擦力作用，选项C 正确，D 错误；运动员向上、向下都是匀速运动，且只受重力和摩擦力的作用，由二力平衡 知，运动员所受的摩擦力总是向上，大小等于其重力，选项A 错误，B 正确． 10.如图6 所示，用大小为100 N 的握力握住一个重为40 N 的瓶子．瓶子竖直，始终处于静 止状态．已知手掌与瓶子间的动摩擦因数μ＝0.5，则( ) 图6 A．瓶子受到的摩擦力大小为40 N B．瓶子受到的摩擦力大小为50 N C．当握力增大时，瓶子受到的摩擦力将增大 D．当握力减小时，瓶子受到的摩擦力将减小 答案 A 解析 瓶子重力为40 N，处于静止状态，则瓶子受到的摩擦力大小等于其重力，为40 N， 故A 正确，B 错误；当握力增大时，瓶子受到的重力不变，摩擦力不变，故C 错误；当握 力减小时，只要瓶子仍处于静止状态，则摩擦力大小不变．故D 错误． 11