鲁科版 (2019)必修 第一册第3节 摩擦力学案设计

摩擦力

【第一学时】

【学习目标】

1．认识滑动摩擦力。

2．知道滑动摩擦力方向的判断方法。

3．能根据动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小。

【核心素养目标】

物理观念：形成初步的滑动摩擦力概念，应用滑动摩擦力的知识解决实际问题

科学思维：1．能对滑动摩擦力的综合性问题进行分析，获得定量分析滑动摩擦力的方法

2．能对比较简单的滑动摩擦力现象进行分析和推理，获得滑动摩擦力有无和方向的结论

科学探究：能根据滑动摩擦力探究方案，用基本器材获得滑动摩擦力大小的基本数据，得到滑动摩擦力大小的影响因素或变化规律

科学态度与责任：有学习和研究滑动摩擦力性质的内在动机，研究中坚持实事求是，在实验探究合作中既能坚持观点又能修正错误

【学习重难点】

情境：如图所示，快件刚放到传送带上的一段时间内，快件随传送带向上运动。

讨论：（1）快件与传送带间发生相对运动，向哪滑动？

（2）分析此过程中，快件所受滑动摩擦力的方向？

二、科学探究——滑动摩擦力大小与物体间压力的关系

1．实验目的：

研究滑动摩擦力大小与接触面的情况、压力的定量关系。

2．设计思路：

（1）实验方法：控制变量法。

①控制接触面粗糙程度不变，研究滑动摩擦力与压力的定量关系。

②控制滑动摩擦力与压力不变，研究与接触面粗糙程度的关系。

（2）测量的物理量。

①测量滑动摩擦力的大小：

根据物体A水平方向二力平衡，滑动摩擦力的大小等于弹簧测力计的示数。

②测量压力的大小：

a．实验原理：根据竖直方向上二力平衡，压力N=mg。

b．数据的收集方法：利用天平测量物体A的质量，由N=mg获得压力的大小。

（3）通过在物体A上加砝码的方法改变压力。

（4）通过将木板改为玻璃板改变接触面的粗糙程度。

3．实验结论：

（1）当接触面材料相同，压力不同时：

滑动摩擦力f的大小跟压力N成正比，即f=μN。

（2）当压力相同，接触面材料不同时：滑动摩擦力与压力的比值不同，说明接触面的动摩擦因数不同。

【思考·讨论】

（1）探究改变拉木板的速度时，物体所受的滑动摩擦力的大小是否变化，请给出你的解释？

（2）探究改变物体与木板间接触面积的大小时，物体所受的滑动摩擦力的大小是否变化，请给出你的解释？

【精炼反馈】

一、选择题（本题共3小题，每题5分，共15分）

1．下列有关滑动摩擦力的说法中，正确的是（  ）

A．有压力一定有滑动摩擦力

B．有滑动摩擦力不一定有压力

C．滑动摩擦力总是与接触面上的压力垂直

D．只有运动物体才受滑动摩擦力

【解析】选C。产生滑动摩擦力的条件有三个：存在正压力（相互接触且挤压）、接触面粗糙、发生相对滑动，缺一不可。由产生条件可知，A、B错误；滑动摩擦力方向与接触面相切，而压力垂直于接触面，所以滑动摩擦力方向跟接触面上的压力垂直，C正确；擦黑板时，黑板是静止的，但相对黑板擦是运动的，也受滑动摩擦力，所以关键是“相对运动”，故D错误。

2．装修工人在搬运材料时，施加一个水平拉力将其从水平台面上拖出，如图所示，则在匀速拖出的过程中 （  ）

A．材料与平台之间的接触面积逐渐减小，摩擦力逐渐减小

B．材料与平台之间的接触面积逐渐减小，拉力逐渐减小

C．平台对材料的支持力逐渐减小，摩擦力逐渐减小

D．材料与平台之间的动摩擦因数不变，支持力也不变，因而工人拉力也不变

【解析】选D。匀速拉动的过程只能持续到重心离开平台的瞬间，物体的重心在平台上，故物体对平台的压力不变，物体受到的支持力不变，故C错误；而在拉动过程中动摩擦因数不变，由f=μN可知摩擦力是不变的，故A错误；因为摩擦力不变，物体做匀速直线运动，所以工人的拉力是不变的，故B错误，D正确。

3．如图所示，将棱长分别为a、2a、3a的同一个长方体木块分别以不同的方式放置在桌面上，长方体木块的各个表面粗糙程度相同。若用弹簧测力计牵引木块做匀速直线运动，示数分别为F1、F2、F3，则F1、F2、F3之比为（  ）

A．1∶1∶1

B．2∶3∶6

C．6∶3∶2

D．以上都不对

【解析】选A。滑动摩擦力的大小与接触面上的压力成正比，与接触面积的大小无关，因此尽管三种情况下的接触面积不同，但是木块对桌面的压力是相同的，又由于动摩擦因数相同，所以三种情况下木块受到的滑动摩擦力大小相同，所以保持木块匀速运动的弹簧测力计的拉力大小相等。则A正确，B、C、D错误。

二、实验题（6分）

4．某研究小组对“滑动摩擦力的大小是否与接触面积、接触面湿度有关”的问题进行探究。他们选择一块各面粗糙程度相同并带有挂钩的长方体物块为研究对象。

（1）实验所用到的测量工具是___________。 

（2）在测量滑动摩擦力的大小时，必须让物块在水平面上做________________运动，才能使测出的拉力大小与滑动摩擦力的大小_______。 

（3）如表所示为实验数据记录表格，通过分析表中序号为_______的实验记录，可得到的初步结论是：滑动摩擦力的大小与___________无关；通过分析表中序号为3、4、5的实验记录，可说明滑动摩擦力的大小与___________有关。 

【解析】（1）实验所用到的测量工具应该是弹簧测力计；

（2）在测量滑动摩擦力大小时，必须让物体在水平面上做匀速直线运动，物体处于平衡状态，拉力与滑动摩擦力是一对平衡力，测出的拉力大小与滑动摩擦力的大小相等；

（3）由表中实验序号为1、2、3的实验数据可知，接触面的干湿程度相同，物体受到的滑动摩擦力相等，物体的接触面积不同，由此可见：滑动摩擦力的大小与接触面积大小无关；

由表中序号3、4、5的实验记录可知：物体的接触面积相等、接触面干湿程度不同，物体受到的滑动摩擦力不同，则可说明滑动摩擦力的大小与接触面的干湿程度有关。

答案：（1）弹簧测力计

（2）匀速直线

相等

（3）1、2、3

接触面积

接触面的湿度

三、计算题（9分。要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要标明单位）

5．如图所示，物体A重40 N，物体B重20 N，A与B、A与地面的动摩擦因数相同，物体B用细绳系住，当水平力F=32 N时，才能将A匀速拉出，求接触面间的动摩擦因数。             

【解析】以A物体为研究对象，其受力情况如图所示，

其中N2为物体B对A的压力：

N2=GB=20 N，

地面对A的支持力：

N1=GA+N2=GA+GB=60 N，

B对A的滑动摩擦力：

f2=μ N2=20μ N，

地面对A的滑动摩擦力：

f1=μ N1=60μ N。

又由题意要将A匀速拉出，

则：F=f1+f2=60μ N+20μ N=80μ N

代入数据得：μ=0.4。

答案：0.4

6．（6分）（2019·福州高一检测）三个质量相同的物体，与水平桌面间的动摩擦因数相同，由于所受水平拉力不同，A做匀速运动，B做加速运动，C做减速运动，那么它们受到的摩擦力大小关系应是 （  ）

A．fB>fA>fC

B．fA<fB<fC

C．fB=fA=fC

D．不能比较大小

【解析】选C。由f=μN知f的大小只与μ和N有关，与物体的运动状态无关，由于该题中N与重力G大小相等，故f相同，则C正确，A、B、D错误。

7．（14分）如图所示，一轻质弹簧的劲度系数为500 N/m，一端固定于质量为10 kg的物体A上，通过该轻质弹簧用一水平力F拉物体。（g取10 N/kg）

（1）当弹簧的伸长量为4 cm时，物体恰好在水平面上做匀速直线运动，求物体与水平面间的动摩擦因数。

（2）当弹簧的伸长量为6 cm时，物体受到的摩擦力为多大？

【解析】（1）对物体受力分析知F2=kx，f2=μN=μmg

又物体做匀速直线运动，所以

F2=f2，μ===0.2。

（2）物体受滑动摩擦力

f3=μN=μmg=0.2×10×10 N=20 N。

答案：（1）0.2

（2）20 N

【第二学时】

【学习目标】

1．认识摩擦力。

2．知道静摩擦力产生的条件，会判断静摩擦力的有无以及大小和方向。

3．能掌握静摩擦力的大小范围：静摩擦力与正压力无关，最大静摩擦力fmaxN。

【核心素养目标】

物理观念：形成初步的摩擦力概念，应用摩擦力的知识，解决实际问题

科学思维：1．能对摩擦力的综合性问题进行分析，获得定量分析静摩擦力和滑动摩擦力的方法

2．能对比较简单的静摩擦力现象进行分析和推理，获得静摩擦力有无和方向的结论

科学探究：能根据静摩擦力探究方案，用基本器材获得最大摩擦力大小的基本数据，得到最大摩擦力大小的影响因素

科学态度与责任：有学习和研究摩擦力性质的内在动机，研究中坚持实事求是，在实验探究合作中既能坚持观点又能修正错误

【学习重难点】

1．能对摩擦力的综合性问题进行分析，获得定量分析静摩擦力和滑动摩擦力的方法

2．能对比较简单的静摩擦力现象进行分析和推理，获得静摩擦力有无和方向的结论

【学习过程】

一、静摩擦力的内涵要素

1．接触面性质：接触面_____（选填“粗糙”或“光滑”）。

2．接触力的情况：___________________。

3．运动情况：物体之间没有发生_________，但具有_______________时，接触面上产生的__________________的力。

二、静摩擦力的矢量性

1．方向：总是与接触面相切，并与________________________。

2．大小：

（1）变化特点：开始时，静摩擦力随相对运动趋势方向上外力的增大而_____。当外力增大到某一值时，物体突然开始沿接触面滑动。

（2）最大静摩擦力：静摩擦力增大到_________时，所对应的物体与接触面之间的静摩擦力。

（3）静摩擦力的大小范围：_________。

三、静摩擦力的影响因素

下列有关静摩擦力的描述正确的是_______。

①两个物体之间只有相对运动趋势，没有相对运动

②静摩擦力的方向与外力无关

③静摩擦力大小随外力增大而增大

④处于静止状态的物体，所受静摩擦力大小与外力相等

关键能力•素养形成

一、认识静摩擦力

1．产生的条件：

（1）两物体直接接触且挤压。

（2）接触面是粗糙的。

（3）两物体有相对滑动的趋势。

2．“相对静止”的两个含义：

（1）两个物体都静止。

（2）两个物体速度相同。

①速度相同的匀速直线运动。

②初速度和加速度相同的变速运动。

3．判断静摩擦力有无的方法：

（1）假设法。

（2）平衡条件法：根据二力平衡的条件判定。

4．静摩擦力的大小：

（1）静摩擦力的大小总等于使物体发生相对滑动趋势的外力的大小。两物体间的静摩擦力f在0和最大静摩擦力fmax之间，即0<f≤fmax。

（2）fmax为最大静摩擦力，大小等于物体刚要发生相对运动时所需要的沿相对运动趋势方向的最小外力。其值略大于滑动摩擦力，有时认为二者相等。

（3）静摩擦力的大小与正压力无关，但最大静摩擦力的大小与正压力成正比。

【思考·讨论】

情境：甲图中自动卸货车开始卸货，货物没有下滑。乙图中旅客随倾斜电梯向上运动。

讨论：（1）图甲中自动卸货车车厢启动升起到货物开始下滑的过程中，货物所受静摩擦力的方向是怎样的？

（2）请从静摩擦力与物体运动关系的角度解释图乙中旅客所受静摩擦力的作用效果是怎样的？

【误区警示】分析静摩擦力的注意事项

（1）静摩擦力的方向总是与物体的相对滑动趋势方向相反，与物体的运动方向可能相同。

（2）运动或静止的物体都有可能受到静摩擦力作用。

（3）静摩擦力的大小与物体所受的外力或运动状态有关，与压力大小无关。

二、科学探究——粗测最大静摩擦力

1．实验目的：粗测最大静摩擦力。

2．实验原理：

（1）状态分析：水平桌面上，受拉力作用的物块开始运动前，处于静止状态。

（2）二力平衡：根据二力平衡，物块所受静摩擦力大小与弹簧测力计的拉力相等。

3．实验设计：

（1）选用弹簧测力计，获得静摩擦力大小的数据。

（2）根据弹簧测力计数据的变化情况，分析静摩擦力大小的变化规律。

（3）在物块上添加砝码，改变压力，研究静摩擦力的变化规律。

（4）观察记录物块刚开始滑动时，弹簧测力计示数的变化情况。

（5）比较两种情况下，弹簧测力计所显示的最大静摩擦力大小与压力的关系。

4．实验结论：

（1）最大静摩擦力fmax与物体之间正压力N成正比。

（2）最大静摩擦力比滑动摩擦力略大。

【思考·讨论】

请设计实验方案，使静摩擦力大小的变化情况清晰地显示出来。

【误区警示】静摩擦力大小变化的两个误区

（1）不能认为外力增大时，物体所受的静摩擦力一定增大。如竖直面内，压力增大时，静摩擦力大小不变。

（2）不能认为最大静摩擦力是固定值。最大静摩擦力与正压力大小和动摩擦因数有关。

【精炼反馈】

一、选择题（本题共4小题，每题4分，共16分）

1．（2019·泉州高一检测）关于摩擦力，下列说法正确的是 （  ）

A．运动着的物体不可能受静摩擦力作用，只能受滑动摩擦力作用

B．物体受到摩擦力作用时，不一定受到弹力作用

C．握在手中的瓶子握得越紧越不容易滑落下来是因为握得越紧静摩擦力越大

D．无论是滑动摩擦力还是静摩擦力，都可以具有动力作用

【解析】选D。静摩擦力与物体间的相对运动趋势相反，运动着的物体可以受静摩擦力作用，A选项错误；根据弹力和摩擦力的产生条件可知，物体受到摩擦力作用时，一定受到弹力作用，B选项错误；握在手中的瓶子握得越紧越不容易滑落下来是因为握得越紧，瓶子受到的最大静摩擦力越大，静摩擦力始终与瓶子的重力大小相等，C选项错误；无论是滑动摩擦力还是静摩擦力，都可以具有动力作用，D选项正确。

2．关于摩擦力，下列说法正确的是 （  ）

A．只有静止的物体受到的摩擦力才叫静摩擦力

B．静摩擦力的大小与压力成正比

C．物体受到的滑动摩擦力一定与该物体的运动方向相反

D．滑动摩擦力可能是物体的动力

【解析】选D。放在粗糙面上的物体，相对另一个物体有相对运动趋势时物体受到的摩擦力才叫静摩擦力，选项A错误；滑动摩擦力的大小与压力成正比，选项B错误；物体受到的滑动摩擦力一定与该物体与接触面的相对运动方向相反，选项C错误；滑动摩擦力的方向可能与物体的运动方向相同，故可能是物体的动力，选项D正确。

3．（2019·宁德高一检测）如图所示，一辆汽车停在水平地面上，一个人用力水平推车，但车仍然静止，下列说法中正确的是              （  ）

A．此人推车的力小于汽车所受到的静摩擦力

B．此人推车的力与汽车受到的摩擦力平衡

C．此人推车的力增大时，汽车受到的摩擦力将保持不变

D．此人推车的力增大时，汽车受到的摩擦力将不断减小，直到汽车能够运动起来为止

【解析】选B。人用力水平推车，但车仍然静止，说明车受到地面给其的静摩擦力作用，由于汽车仍处于平衡状态，因此静摩擦力的大小和人推车的力大小相等，是一对平衡力，而且随着推力的变化而变化，故A、C、D错误；B正确。

【补偿训练】

某同学骑自行车上学时，地面对前轮的摩擦力为F1，对后轮的摩擦力为f1；推自行车前进时，地面对前轮的摩擦力为F2，对后轮的摩擦力为f2，则（  ）

A．F1与车前进方向相同

B．f1与车前进方向相同

C．F2与车前进方向相同

D．f2与车前进方向相同

【解析】选B。骑自行车时后轮是主动轮，前轮是从动轮，后轮对地有向后的静摩擦力，则地对后轮的摩擦力与车前进方向相同，地面对前轮的摩擦力与车前进方向相反，则A错误，B正确；推自行车前进时，地面对前轮的摩擦力及对后轮的摩擦力都阻碍自行车的前进，都与前进方向相反，则C、D错误。

4．如图所示，在水平面上，当沿水平方向的力F1=20 N，F2=11 N时，物体A保持静止。现保持F2不变，当F1减小到17 N时，物体受到的摩擦力大小是（  ）

A．6 N

B．9 N

C．28 N

D．31 N

【解析】选A。初始状态下，物体所受摩擦力f=F1-F2=9 N，可知物体的最大静摩擦力fmax≥f=9 N。当F1减小到17 N时，F1′-F2=6 N<fmax，故物体所受摩擦力为6 N，则A正确，B、C、D错误。

二、计算题（14分。要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要标明单位）

5．如图所示，一质量不计的弹簧原长为10 cm，一端固定于质量m=2 kg的物体上，另一端施一水平拉力F。（设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等，弹簧始终在弹性限度内，g取10 N/kg）             

（1）若物体与水平面间的动摩擦因数为0．2，当弹簧拉长至12 cm时，物体恰好匀速运动，弹簧的劲度系数多大？

（2）若将弹簧拉长至11 cm，物体受到的摩擦力大小为多少？

【解析】（1）物体匀速运动时，k（x-x0）=μ mg

则k==N/m=200 N/m。

（2）弹簧的弹力

F1=k（x1-x0）=200×（0．11-0．10）N=2 N

最大静摩擦力等于滑动摩擦力fm=0.2×2×10 N=4 N

物体没动，故所受的静摩擦力为f1=F1=2 N。

答案：（1）200 N/m

（2）2 N

6．（6分）（多选）（2019·莆田高一检测）如图，物体A放在水平地面上，在两个水平恒力F1和F2的作用下保持静止。已知F1=8 N，F2=1 N，则（  ）

A．若去掉F1，A一定静止

B．若去掉F1，A一定向左运动

C．若去掉F2，A可能静止

D．若去掉F2，A一定向右运动

【解析】选A、C。初始状态对物体分析，所受摩擦力f=F1-F2=7 N，方向水平向左，知最大静摩擦力fmax≥7 N；若去掉F1，因为F2<fmax，故物体仍然静止，A正确，B错误；若去掉F2，因为不能确定F1与fmax的大小关系，故物体可能静止，C正确，D错误。

7．（14分）（2019·福州高一检测）如图所示，用水平力F将一个木块压在竖直墙壁上，已知木块所受的重力G=6 N，木块与墙壁间的动摩擦因数μ=0．25。问：

（1）当F=25 N时，木块没有动，木块受到的摩擦力为多大？

（2）当F增大为30 N时，木块仍静止，木块受到的摩擦力为多大？

（3）当F=10 N时，木块沿墙面下滑，此时木块受到的摩擦力为多大？

【解析】（1）对木块进行受力分析，木块没动，说明木块处于平衡状态，根据二力平衡知，木块受的静摩擦力一定和重力大小相等，方向相反，f1=6 N。

（2）当F增大为30 N时，木块与墙壁之间仍然是静摩擦力，这个力与重力相平衡，因此f2=6 N。

（3）当F=10 N时，木块沿墙面下滑，此时木块和墙面之间是滑动摩擦力，

f3=μN=0．25×10 N=2．5 N。

答案：（1）6 N　（2）6 N　（3）2．5 N

【总结提升】求解摩擦力大小的注意点

（1）求解摩擦力的大小时，首先要分清是静摩擦力还是滑动摩擦力，再应用不同方法求解。

（2）静摩擦力的大小不能用公式f=μN计算，且静摩擦力的大小与正压力无关。

（3）滑动摩擦力的大小仅与μ、N有关，而与其他因素无关。