师:同学们,大家好。前面我们学习了力学的相关知识,包括重力、弹力。本节课我们来学习摩擦力,首先来认识摩擦力。
大家跟老师做个实验,将手掌压在桌面上,使手掌向前滑行。来,一起做一下,大家有什么感受?
生:桌面对手掌有阻碍作用。
师:没错,生活中还有类似情境。比如擦黑板时,能感觉到黑板对黑板擦有阻碍作用;抹桌子时,桌面对抹布也有阻碍作用。还有我国自主研发的国产大飞机运20降落机场,飞机会慢慢停下来,这是因为飞机受到地面对它的阻碍作用。在这些情境中,物体都受到了阻碍作用,在物理学中,我们将这种阻碍作用称之为摩擦力。摩擦力的知识很多,本节课我们主要学习滑动摩擦力。什么是滑动摩擦力呢?两个相互接触的物体,当它们发生相对滑动时,在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力,这种力就是滑动摩擦力。
大家仔细看,老师在黑板上用红色标注了几个关键词:相互接触、相对滑动、相对运动。现在老师做个实验,大家仔细观察。老师将木块放到水平桌面上,用力拉动木块,使其在桌面上滑动,老师感受到桌面对木块有阻碍作用,这个阻碍作用就是滑动摩擦力。那木块和桌面之间存在什么关系呢?首先木块和桌面要相互接触,同时木块在桌面上要发生相对滑动,在接触面上就会产生一个阻碍木块相对滑动的力,这个力就是滑动摩擦力。
滑动摩擦力是怎么产生的呢?大家看,桌面看上去很平滑,但在显微镜下,物体表面是凹凸不平的。在这些凹凸不平的表面上,当物体相对滑动时,就会产生滑动摩擦力。前面我们学了力的三要素:力的大小、方向、作用点。那么滑动摩擦力的方向是怎样的呢?大家看,老师在水平桌面上拉动毛刷,这里标注了左和右,是相对于同学们的视角。老师用力向左拉动毛刷,此时桌面对毛刷有阻碍作用。老师做实验时,大家注意观察毛刷的运动情况和毛刷软毛的弯曲情况。好,老师用力向左拉动毛刷,大家发现毛刷向左运动时,软毛向右弯曲,此时桌面对毛刷的阻碍作用是向右的,由此我们可以得出滑动摩擦力的方向是水平向右。现在老师用力向右拉毛刷,大家再仔细观察。
生:毛刷相对于桌面向右滑动,软毛向左弯曲。
师:对,由此我们可以得出物体所受滑动摩擦力的方向与物体相对运动的方向相反。了解了滑动摩擦力的方向,那滑动摩擦力的大小是怎样的呢?接下来我们研究测量水平运动物体所受滑动摩擦力的大小。
我们前面学习了测量力的工具是弹簧测力计,这里测量滑动摩擦力的工具也是弹簧测力计。大家想一想,滑动摩擦力能不能直接测量出来?
生:不能。
师:对,滑动摩擦力无法直接测量,那我们怎么测量呢?可以利用间接测量方法。大家看,这是一木块,放在水平桌面上,用力拉动它,木块和桌面之间就会产生滑动摩擦力。我们画出木块的受力示意图。此时物体在水平方向受到哪些力的作用呢?
生:受到向右的拉力,还有跟运动方向相反的滑动摩擦力。
师:没错,物体是向右运动的,我们无法直接测量出物体所受的滑动摩擦力,那能不能想办法测出这个拉力的大小?如果这两个力大小相等,知道拉力的大小,就能知道滑动摩擦力的大小。那么在什么情况下,拉力的大小和滑动摩擦力的大小相等呢?根据前面学的二力平衡知识,当一个物体在水平面上匀速直线运动时,拉力和摩擦力就是一对平衡力,它们大小相等,方向相反,这样我们就可以间接知道滑动摩擦力的大小。所以测量水平物体所受滑动摩擦力的原理是二力平衡的条件。具体方法是用弹簧测力计水平地拉动木块,使木块在水平面上匀速直线运动,这样弹簧测力计的示数就可以表示木块所受滑动摩擦力的大小。
同学们,这是一个大纸箱,老师推它时,纸箱与地面之间相对滑动,就有滑动摩擦力。我们发现箱子越重,推起来越费力,由此可知滑动摩擦力大小不一样。那么影响滑动摩擦力大小的因素有哪些呢?接下来我们就来研究滑动摩擦力大小的影响因素。
对于这个问题,请同学们先进行猜想和假设。老师擦黑板时有这样的感受,用力压着黑板擦,擦黑板感觉很费力;用力小压黑板擦,擦黑板就容易些。由此老师猜想,滑动摩擦力的大小与接触面所受压力的大小有关系。生活中还有例子,比如推箱子,如果地面很光滑,箱子就容易推动;如果地面粗糙,推起来就费力。由此老师还猜想滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关。同学们可能还有自己的猜想,科学探究需要大家敢于大胆猜想。本节课我们主要研究滑动摩擦力与接触面所受压力大小和接触面粗糙程度的关系,其他猜想同学们可以课后研究。当滑动摩擦力大小与两个因素有关时,怎么研究呢?在物理学中,当一个物理量与两个或两个以上因素有关时,我们利用控制变量法来研究,一个个进行研究。要研究滑动摩擦力大小与接触面所受压力的关系,就控制接触面的粗糙程度相同;研究滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度的关系,就尽量保证接触面所受压力相同。这是我们测量滑动摩擦力的办法,通过这种方法可以测量水平运动物体所受滑动摩擦力的大小。
在这个过程中,怎样改变压力的大小呢?当一个物体放在水平桌面上时,物体对桌面的压力大小就等于木块的重力大小。现在要研究滑动摩擦力大小与接触面所受压力大小的关系,怎么改变压力大小呢?可以在木块上加一个重物,此时木块对桌面的压力就等于木块的重力加上钩码的重力大小,这样就改变了接触面所受压力的大小。具体实验可以这样操作,在木块上增加钩码,改变木块对长木板的压力,测出滑动摩擦力的大小,通过比较,因为保证了接触面粗糙程度相同而改变了压力大小,来看看滑动摩擦力大小的变化。
