關于摩擦力的微觀認識

　　摘 要： 文章主要從摩擦力產生的微觀機制方面研究摩擦力，具體分析了三種影響機械摩擦力大小的因素，運用分析討論的方法可以解決摩擦力教學當中的一些難點。
　　關鍵詞： 摩擦力 靜摩擦力 微觀機制
　　
　　摩擦力的教學并非靠幾次課堂教學就能完成。摩擦力問題除了貫穿在力學的始終，電磁學等領域都將涉及摩擦力的問題。因此，學生對摩擦力掌握的程度直接影響以后的學習。
　　物理必修1第三章第三節摩擦力中，當講述摩擦力的概念時沿用初中關于摩擦力的概念即：兩個相互接觸的物體，當它們發生相對運動或者有相對運動的趨勢的時候，就會在接觸面上產生一個阻礙相對運動或者相對運動趨勢的力，這個力叫做摩擦力。當老師講述摩擦力的知識，關于摩擦力的產生條件往往會是這四條：（1）相互接觸的倆物體間。（2）物體相互擠。（3）接觸面粗糙。（4）發生相對運動或者有相對運動的趨勢。這四個條件也符合學生的日常認知，比較容易被學生接受，但這只是摩擦力產生的宏觀條件，在本章的前言里提到摩擦力是一種電磁力，許多學生對此并不理解。在教學中可以適當地介紹摩擦力產生的微觀機制，有利于學生對摩擦力的理解。學生對滑動摩擦力的理解問題不大，相對滑動在生活中實例很多。但是許多學生在靜摩擦力的理解過程中出現很多學習誤區，靜摩擦力的方向和大小是學習的重點也是難點，針對這一情況，本文就摩擦力的產生機制，靜摩擦力大小、方向等方面談談粗淺之見。
　　一、摩擦力的產生
　　產生摩擦力的原因很復雜。人類從十五世紀開始研究摩擦直到十八世紀末庫侖總結出摩擦定律止，科學家們才逐步建立了關于摩擦的凹凸嚙合說。這種學說認為摩擦的產生是由于物體表面粗糙不平而導致的機械作用。按這種學說，兩個接觸面越光滑，摩擦力越小。但實際上，如果兩個接觸面光滑到一定程度后，接觸面越光滑，摩擦力越大。因此產生了另一種學說叫分子粘合說。這種學說認為，兩個接觸物體在相互擠壓時，接觸面的凸部接觸，產生塑性流動，致使凸部變成一個稍大的平面。于是兩個物體在接觸面上產生了分子，原子性的粘合，從而導致了摩擦。因此摩擦力是一種電磁力。以上這兩種學說都只能較成功地解釋某些或某部分的摩擦現象。其實當兩個物體相接觸時，有以下三種不同的情況eDoVWg7hEBRIg5i195dd0Q==。
　　1.接觸點。兩個表面真正接觸的部分由于正壓力的作用，接觸點都受到壓縮，一般情況下屬于彈性形變表層的兩個分子之間的距離小于分子的有效直徑，形成“冷焊”要拉斷它們的，必須使它們之間的距離增大到分子力為0時。因此接觸點在接觸面較光滑時對摩擦力的貢獻較大。
　　2.交錯點。這些點沒有相互接觸，但伸入到中心線以上，互相交錯當物體相對運動時，它們將發生碰撞，產生阻礙物體的相對運動或者相對運動趨勢，消耗物體的動能因此交錯點在接觸面較粗糙的時候對摩擦有較大的貢獻。
　　3.脫離部分。既不接觸，又沒有交錯的部分在這些點上，兩表面的分子之間沒有相互作用力，對摩擦力沒有貢獻。
　　下面就是這三種情況的示意圖：
　　我們可以歸納產生摩擦的兩個主要原因：一是物體表面的粗糙不平;二是物體兩接觸面的分子、原子和電荷之間的引力作用。那么這兩種原因分別在什么情況下對摩擦的產生起主要作用呢？物體表面比較粗糙的時候，微粒之間的作用力只發生在兩個接觸面凸起部分相接觸的地方，作用力很小，可以忽略不計。在這種情況下，摩擦力主要是由于物體表面的粗糙不平，兩個接觸面的凹凸部分即交錯點相互嚙合引起的。物體表面非常光滑的時候，物體的兩個接觸面充分接觸，許多部分間的距離已經小到微粒的作用力范圍之內，這些部分即接觸點之間的作用力不能忽略。在這種情況下，摩擦力主要是由分子、原子和電荷之間的引力引起的。這就可解釋“接觸面越光滑，摩擦力越大”的現象。因為接觸面越光滑，發生引力作用的分子越多，摩擦力就越大。
　　二、靜摩擦力有關問題的理解
　　1.靜摩擦力跟滑動摩擦力不一樣，它不是一個定值，其值0≤f靜≤fmax。當物體間有相對運動的趨勢時，交錯點間就會產生阻礙作用，相對運動趨勢越大起阻礙作用的交錯點的數量就會越多，阻礙作用就會越明顯，所以此時的靜摩擦力就會變大，直到物體開始相對滑動。
　　2.最大靜摩擦力比滑動摩擦力稍大。可用摩擦力產生的微觀機制來解釋。當物體有相對運動的趨勢的時候，交錯點之間會有力的作用，從而阻礙物體的相對運動趨勢。這就是靜摩擦力，當物體要運動而沒有運動時，產生阻礙作用的交錯點是最多的，從而產生最大的靜摩擦力。而物體之間發生了滑動的時候，兩個接觸面的交錯點部分相互碰撞，產生斷裂、磨損，從而減少了交錯點之間的相互阻礙作用，因此滑動時凹凸嚙合對摩擦力的貢獻相對較小。所以最大靜摩擦力會比滑動摩擦力稍大些。
　　綜上所述，在摩擦力的教學過程中適當講解摩擦力的產生機制會加深學生對摩擦力的理解，在講解靜摩擦力的大小這部分內容時運用摩擦力產生的微觀機制可幫助學生認識和理解該問題。要多舉例子讓學生直觀形象地理解靜摩擦力的方向問題。