牽引力就是摩擦力嗎？.doc

牽引力就是摩擦力嗎？牽引力一詞在中學(xué)、中專物理教學(xué)中常常提到，是指汽車、機(jī)車等本身向前的動(dòng)力課本中多次提到牽引力使汽車產(chǎn)生的加速度；牽引力對(duì)汽車所做的功等問(wèn)題一些參考書在解釋牽引力時(shí)總把它說(shuō)成是摩擦力；或模糊地使人容易理解為牽引力就是摩擦力（如中學(xué)物理甲種本25頁(yè)：“汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于輪胎和地面間有摩擦牽引力就是這樣產(chǎn)生的”）牽引力就是摩擦力嗎？筆者認(rèn)為汽車的牽引力應(yīng)有兩方面的作用：（1）從汽車速度的改變看它是產(chǎn)生加速度的原因；（2）從汽車動(dòng)能的改變看牽引力是對(duì)汽車做功的動(dòng)力即牽引力是以產(chǎn)生加速度和做功為效果而命名的等效力1 汽車加速度的根本原因牽引力是如何產(chǎn)生汽車加速度的呢？為研究方便，又不失一般情況，假定汽車水平運(yùn)動(dòng)，車輪做無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)，略去滾動(dòng)摩擦汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)后輪作用一驅(qū)動(dòng)力矩l，每個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為i，其半徑為r，汽車的總質(zhì)量為m，把汽車看成由前輪、車身、后輪三部分組成后輪：由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩l的作用，使后輪與地面的接觸處a點(diǎn)相對(duì)地面有向后的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，地面對(duì)它的摩擦力f后向前，同時(shí)后輪的轉(zhuǎn)軸對(duì)車身有向前的推力f后，車身對(duì)后輪的反作用力為f后如車身的加速度為a，因?yàn)檐囕喿鰺o(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)，所以后輪的角加速度為f后-f后=m后輪a（如圖1）前輪：前輪輪軸受到車身對(duì)它的向前推力f前，使它與地面的接觸點(diǎn)處相對(duì)地面有向前運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，地面對(duì)它施以向后的摩擦力，可列方程f前r=2i，f前-f前=m前輪a（如圖2）車身：由后輪對(duì)它的推力f后，和前輪對(duì)它的反作用力f前 ，得f后-f前=m車身a（如圖3）聯(lián)列方程：f后-f前=m車身a，（1）f后-f后=m后輪a，（2）f前-f前=m前輪a，（3）且f前=f前、f后=f后，解得：f后-f前=（m車身+m前輪+m后輪）a=ma，（6）合摩擦力產(chǎn)生，也就是說(shuō)摩擦力是汽車加速度的直接原因，但由（7）式（f后-f前）l，可以看到，合摩擦力正比于發(fā)動(dòng)機(jī)所施驅(qū)動(dòng)力矩車輪之所以有摩擦力是因?yàn)橛序?qū)動(dòng)力矩l，如果沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力矩，汽車甚至連運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)也沒(méi)有，更無(wú)摩擦力可談，汽車豈能產(chǎn)生加速度？因此汽車產(chǎn)生加速度的根本原因是發(fā)動(dòng)機(jī)所施的驅(qū)動(dòng)力矩l2 對(duì)汽車做功的作用力汽車從低速到高速，動(dòng)能增加需要牽引力對(duì)它做功從能量轉(zhuǎn)化看，汽車總動(dòng)能的增加是其它能量轉(zhuǎn)化來(lái)的，水平道路雖然給車輪以摩擦力，但卻無(wú)能量轉(zhuǎn)化給汽車，只有發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)消耗汽油變化學(xué)能為汽車的動(dòng)能從質(zhì)于汽車的內(nèi)力和外力做功之和這里汽車外力只有水平方向的摩擦力，在豎直方向上合外力為零因車輪做無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)，車輪與地面的接觸點(diǎn)a、b為轉(zhuǎn)動(dòng)瞬心，即a、b點(diǎn)的速度va=vb=0，汽車所受摩擦力為靜摩擦力，故這里摩擦力對(duì)汽車不做功，只有內(nèi)力對(duì)汽車做功3 牽引力的本質(zhì)既然摩擦力對(duì)汽車不做功，物理課本又要求回答牽引力做功的問(wèn)題，顯然牽引力就是摩擦力的說(shuō)法是不對(duì)的；如果把牽引力看作內(nèi)力，但在回答牽引力對(duì)汽車產(chǎn)生加速度的問(wèn)題時(shí)，內(nèi)力又不能產(chǎn)生加速度，只有摩擦力才產(chǎn)生加速度，這里是個(gè)矛盾筆者認(rèn)為要回答牽引力到底是什么，必須從它實(shí)際產(chǎn)生的加速度和做功兩個(gè)效果來(lái)分析，那么牽引力就是使汽車產(chǎn)生加速度和對(duì)汽車做功的等效力它是內(nèi)力和外力的綜合作用結(jié)果，它既包含內(nèi)力也包含外力，不應(yīng)該考慮成非此即彼的關(guān)系，牽引力具有內(nèi)力和摩擦力的雙重性汽車產(chǎn)生加速度的直接原因是摩擦力，但根本原因是內(nèi)力，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)力提供力矩就產(chǎn)生不了摩擦力，也就無(wú)加速度；反過(guò)來(lái)只有驅(qū)動(dòng)力矩，地面不足以提供摩擦力（如摩擦因數(shù)過(guò)小），汽車就打滑，不能把內(nèi)力全部轉(zhuǎn)變成產(chǎn)生汽車加速度的力同樣，對(duì)汽車動(dòng)能變化來(lái)說(shuō)，雖然摩擦力不做功，但它能幫助在內(nèi)力作用下的車輪滾動(dòng)前進(jìn)，使內(nèi)力對(duì)車身做功，如果摩擦力不足，車輪打滑，只能使輪子轉(zhuǎn)速提高，不能使汽車整體動(dòng)能增加綜上所述，產(chǎn)生汽車牽引力的內(nèi)因是發(fā)動(dòng)機(jī)所施的內(nèi)力，外因是地面對(duì)汽車的靜摩擦力，這兩個(gè)因素的共同作用才有了牽引力，汽車的內(nèi)力通過(guò)摩擦力起作用，使汽車加速和增加動(dòng)能，這就是牽引力的本質(zhì)沒(méi)有內(nèi)力作用就沒(méi)摩擦力，也就沒(méi)有牽引力；有內(nèi)力作用，沒(méi)有摩擦力或只有較小的摩擦力，也不會(huì)有牽引力或只有較小的牽引力4 牽引力的大小和相關(guān)物理量牽引力作為一種等效力，要回答其大小，就應(yīng)從它的作用效果來(lái)看：當(dāng)考慮加速度時(shí)，內(nèi)力不起作用，牽引力等于摩擦力，即f牽=f后-f前=ma；當(dāng)考慮作功時(shí)，摩擦力不起作用，牽引力等于內(nèi)力，即f牽=f內(nèi)（把汽車做功在中學(xué)物理和中專物理中，除汽車有牽引力問(wèn)題外，人劃船、人走路、人騎車都有內(nèi)力通過(guò)水的反作用力或地面對(duì)人的摩擦力，對(duì)船或?qū)θ嘶驅(qū)ψ孕熊嚠a(chǎn)生“牽引力