在教學中,中學生在學習磨擦力后,看上去都能理解,但碰到實際問題時就出錯,或則束手無策不會解決.筆者在教學中的感受是,磨擦力做功是一個教學難點,因為磨擦力總是成對出現的,遇見實際問題時不少中學生對磨擦力的做功倍感困擾.對此,按照筆者的教學感受,實例說教有助于中學生理解磨擦力和把握磨擦力做功的特性.
1靜磨擦力做功的特征
靜磨擦力是形成在兩個有相對運動趨勢的物體之間,也就是說兩個物體是相對靜止的,這么靜磨擦力能不能做功,是做正功還是做負功呢?
例1如圖1所示摩擦力做功,物體A置于水平桌面上,通過越過光滑的定滑輪的細繩與物體B連在一起,物體A、物體B保持靜止,試剖析物體A所受的磨擦力對物體A做的功.
解析在這個題目中,盡管物體A和桌面之間存在著互相作用的靜磨擦力,但因為物體A沒有位移,從而這兒的靜磨擦力不做功.
例2如圖2所示,物體A、B疊置于光滑的水平面上,在水平拉力F的作用下由靜止開始做勻加速運動,若A、B之間保持相對靜止,試剖析A、B之間的靜磨擦力分別對A、B所做的功.
解析因為慣性,物體A對物體B有向后運動的趨勢,因此物體B對物體A有一個向左的靜磨擦力.正是因為這個靜磨擦力的作用,才促使物體A隨物體B一起做勻加速運動,這個靜磨擦力對物體A做正功.同時,物體A對物體B有一個往右的靜磨擦力,因為這個磨擦力的方向與物體B的運動方向相反,物體A對物體B的靜磨擦力對物體B做負功.
所以,在判定靜磨擦力能夠做功時,應當正確理解“相對靜止”和“運動”的關系,所謂的兩物體相對靜止是相對兩物體彼此為參照物而言的,并不是物體不運動.靜磨擦力制約的是物體的相對運動,而不是制約物體的運動.靜磨擦力是做正功還是做負功,要看靜磨擦力的方向和位移的方向之間的關系.
假如我們將例2的條件進一步拓展,設兩物體A、B的質量分別為m1、m2,在水平恒力的作用下由靜止開始運動,前進的位移為s時,物體A、物體B共同運動的速率為v,我們再來討論一下靜磨擦力做功的另一個特征.
設物體A、物體B之間的靜磨擦力的大小為f,則對物體A來說,由動能定律得,物體B對物體A的靜磨擦力所做的功為
fs=,
對物體B來說,由動能定律得,合外力對物體B所做的功為
(F-f)s=,
若把以上兩式相減,得
Fs=+=12(m1+m2)v2,
若把物體A、物體B看成一個整體,則拉力F所做的功恰好為
W=Fs=12(m1+m2)v2.
可見,在靜磨擦力做功的過程中,有機械能的轉移(靜磨擦力起著轉移機械能的作用),而沒有機械能轉化為其它方式的能.在互相作用的靜磨擦力存在的系統內,一對靜磨擦力所做的總功等于零.
2滑動磨擦力做功的特征
滑動磨擦力是形成在兩個有相對運動的物體之間,這么滑動磨擦力是不是總做負功呢?
例3如圖3所示,繩子的一端固定在墻壁,且繩子正好剪短,A、B兩物體之間的動磨擦質數不為零,試剖析在B拉出的過程中,A、B之間的磨擦力做功情況.
解析因為物體A、B之間有相對運動,物體B對物體A有一個向左的滑動磨擦力,但在這個力的方向上沒有位移形成,因而滑動磨擦力對物體A不做功.很其實,在這兒物體A對物體B的滑動磨擦力對物體B做負功,可見,在剖析滑動磨擦力做功的時侯要正確理解“運動”和“相對運動”的關系.分清是誰對誰的滑動磨擦力和滑動磨擦力的方向與物體的位移方向,就能確定滑動磨擦力的做功情況.
例4如圖4所示,質量為M的貨車B以v0的速率在光滑的水平面上勻速運動,把質量為m的物體A輕輕地置于貨車的后端如圖4所示,若物體A、小車B之間的動磨擦質數不為零,貨車足夠長,試剖析在物體A、小車B達到速率相同之前兩物體之間的磨擦力所做的功.
解析物體A放在貨車B上時,因為慣性,物體A相對貨車B向左滑動,從而貨車B對物體A的滑動磨擦力的方向往右,使物體A往右運動,這個磨擦力的方向與物體A運動的方向相同,做正功.而物體A對貨車B的滑動磨擦力的方向向左,與貨車B的運動方向相反,對貨車B做負功.
由此可見,滑動磨擦力制約的是物體的相對運動,而不是制約物體的運動,因此滑動磨擦力并不一定總是阻力,也不一定總是做負功.
假如我們將例4的條件進一步延展,再看一下滑動磨擦力做功的另一特征.若設貨車足夠長的話,則貨車B最終將和物體A以共同的速率在水平面上運動.
對A、B組成的系統,設它們共同運動的速率為v,由動量守恒定理得v=Mv0M+m.
若設A、B之間的動磨擦質數為μ,如今我們來具體剖析A、B之間的滑動磨擦力所做的功,如圖5所示.A、B之間的滑動磨擦力的大小為f=μmg.
B對A的滑動磨擦力所做的功為fL=12mv2,A對B的滑動磨擦力所做的功為-fs=12Mv2-,
以上兩式相減得-fs=12(M+m)v2-摩擦力做功,
若令s-L=d,則得fd=-12(M+m)v2.
d正好是A、B兩物體之間的相對位移,即A、B兩物體系統所損失的機械能等于滑動磨擦力與兩物體之間的相對位移的乘積.
可見,滑動磨擦力既可以做正功,也可以做負功,也可以不做功.在滑動磨擦力做功的過程中,能量的變化有兩種途徑:一是互相作用的物體之間的機械能的轉移;二是有部份機械能轉化為內能.一對互相作用的滑動磨擦力所做的總功是負值,亦稱等于系統的機械能的損失,也就有一部份機械能轉化為內能.