「高中物理硬核知識」關於摩擦力做功與能量變化之間的關係問題

2020-12-13 中學物理小家

在高中物理必修二《機械能守恆定律》這一章中,有一個非常重要的問題,即功能關係問題。在功能關係問題中,有一個特別容易混淆的內容——摩擦力做功問題。

尤其是摩擦力做功究竟改變了那種能量,好多童鞋容易搞錯。

今天小編就給各位童鞋們通過例子,好好分析一下摩擦力做功究竟改變了哪種能量。

首先摩擦力有靜摩擦力與滑動摩擦力,所以我們分成兩種情況研究:

一、靜摩擦力做功:

1、如圖1,放在水平桌面上的物體A在水平拉力F的作用下未動,則桌面對A向左的靜摩擦力做不做功?

很明顯,因為物體沒有運動,所以也就不產生位移 ,此時力F不做功。此時也沒有能量的改變。

2、如圖2,A和B疊放在一起置於光滑水平桌面上,在拉力F的作用下,A和B一起向右加速運動,則B對A的靜摩擦力做不做功? A對B的靜摩擦力做不做功?

此時物體A對B的靜摩擦力方向向右,根據作用力與反作用力的關係,B對A的靜摩擦力向左,因為A、B均向右運動,所以A對B的靜摩擦力做正功,B的動能增大,靜摩擦力改變了B的動能;B對A的靜摩擦力做負功,其大小與A對B的靜摩擦力做的正功相同。它也是改變了A的動能。

所以由此我們總結靜摩擦力做功的特點是:

⑴靜摩擦力可以做正功,也可以做負功,還可以不做功。

⑵相互作用的一對靜摩擦力做功的代數和總等於零。

⑶在靜摩擦力做功的過程中,只有機械能的相互轉移(靜摩擦力起著傳遞機械能的作用),而沒有機械能轉化為其它形式的能。

二、滑動摩擦力做功:

如圖4,上表面不光滑的長木板,放在光滑的水平地面上,一小鐵塊以速度V0從木板的左端滑上木板,當鐵塊和木板相對靜止以共同速度運動時,木板相對地面滑動的距離為S,小鐵塊相對木板滑動的距離為d ,

首先分析它們所受的滑動摩擦力,小鐵塊速度大於長木板,所以長木板對小鐵塊的滑動摩擦力方向向左,小鐵塊對長木板的滑動摩擦力方向向右。

對小鐵塊來說:

滑動摩擦力對鐵塊所做的功為:

根據動能定理,小鐵塊動能的變化量為:

上面的式子表明:鐵塊從開始滑動到相對木板靜止的過程中,滑動摩擦力對小鐵塊所做的負功使其動能減少。

鐵塊減少的動能變成什麼能量了呢?

我們接著往下分析:

對長木板來說:,

滑動摩擦力對長木板所做的功為:

根據動能定理,長木板動能的變化量為:

上面的式子表明:鐵塊從開始滑動到相對木板靜止的過程中,滑動摩擦力對長木板所做的正功使其動能增加。

根據上面的分析可以看出:小鐵塊動能減少了f(S+d),長木板動能增加了fS,小鐵塊的動能轉移到了長木板。

但並不是把全部的動能傳遞給了長木板,多餘的動能轉化成了內能:

即:f(S+d)-fS=fd,次fd即為轉化成的內能(或熱量)。

綜上所述,我們可以得到結論

滑動摩擦力做功有以下特點:

①滑動摩擦力可以對物體做正功,也可以對物體做負功,還可以不做功。

②相互摩擦的系統內,一對滑動摩擦力所做的功總為負值,其絕對值等於滑動摩擦力與相對位移d 的乘積,且等於系統損失的機械能,也就是產生的內能(或熱量)。

③一對滑動摩擦力做功的過程中,能量的轉化有兩種情況:

1、相互摩擦的物體間機械能的轉移;

2、是機械能轉化為內能。

結 束

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