“摩擦力”的概念詮釋及教學甄選

葉曉林

【摘? ?要】在用彈簧測力計測量摩擦力時，有的教師會選擇物體剛啟動時的讀數，有的教師會選擇物體勻速運動過程中的讀數。孰是孰非，莫衷一是。基于此，教師可以從摩擦力的概念認知出發(fā)，采用一系列的對比實驗，研討最大靜摩擦力和動摩擦力之間的異同，闡述選擇的理由，并對“測量時為什么要沿水平方向拉動”進行深入的分析，從而給予學生正確的概念鋪墊和方法指導，真正實現(xiàn)一個趨向于大概念的學習過程。

【關鍵詞】摩擦力;靜摩擦力;動摩擦力

摩擦力是經典力學中的一個名詞，是指兩個互相接觸的物體有彈力，當它們發(fā)生或有趨勢發(fā)生相對運動時，就會在接觸面上產生一種阻礙相對運動的力，這種力就叫作摩擦力。教育科學出版社出版的小學《科學》五年級上冊“運動和力”單元第5課《運動與摩擦力》中采用的測量定義是：我們用測力計沿水平方向拉一個物體，剛好能使這個物體運動起來的力就相當于它受到的摩擦力。而浙江教育出版社出版的初中《科學》七年級下冊第三章第六節(jié)中，探究“摩擦力大小與什么有關”的實驗所采用的測量方法是：用彈簧測力計勻速拉動物體，并在這一過程中快速讀數。兩種測量方法孰是孰非，一線教師究竟該如何進行教材解讀并做出抉擇？

一、最大靜摩擦力和動摩擦力的概念辨析

在物理學中，摩擦力分為兩種：一種是兩個接觸物體之間存在相對滑動時，接觸面上產生阻礙對方滑動的阻力，被稱為動滑動摩擦力，簡稱動摩擦力;另一種是兩個相互接觸的靜止物體，當接觸表面之間有相對滑動的趨勢，會產生阻礙相對滑動的阻力，被稱為靜滑動摩擦力，簡稱靜摩擦力。當外力增大時，靜摩擦力也隨之增大，但當外力增大到一定數值時，物體就會運動，可見靜摩擦力增加到一定數值后就不能再增大了，這一數值的靜摩擦力叫作最大靜滑動摩擦力，簡稱最大靜摩擦力。因此，測量物體剛剛運動起來的力就相當于測量了物體的最大靜摩擦力;而測量勻速運動時的摩擦力就相當于測量了物體的動摩擦力。需要補充解釋的是，物體剛剛運動起來的力和最大靜摩擦力只能用“相當于”一詞來表述，不能用“等同于”，因為剛運動起來的力恰好突破了最大靜摩擦力的臨界點，如果是“等同于”，則在二力平衡之下，物體永遠處在靜止狀態(tài)。

那么，在測量物體摩擦力大小時，能否將同一物體的最大靜摩擦力和動摩擦力混為一談？它們的大小相同嗎？對此，還是用實驗數據來說話比較科學。

二、最大靜摩擦力和動摩擦力的大小比較

教師可設計三組實驗：分別在光滑的桌面、1000目砂紙、280目砂紙上拉同一物體，以測量物體剛啟動時的最大靜摩擦力和勻速運動過程中的動摩擦力。測量時只改變接觸面的光滑程度，盡可能控制其他的相關變量。實驗裝置如圖1所示。

教師匯總整理三組實驗數據，得出表1。

從數據中可以發(fā)現(xiàn)，不管接觸面的光滑程度怎樣變化，測得的“剛啟動時的摩擦力”與“勻速運動時的摩擦力”數值都是不同的，而且數值還呈現(xiàn)出一個很有趣的規(guī)律：“剛啟動時的摩擦力”總是大于“勻速運動時的摩擦力”。為什么會這樣呢？

動摩擦力與兩物體間的正壓力FN成正比。即Fd=fd·FN，其中fd為動摩擦系數。最大靜摩擦力與兩物體間的正壓力FN成正比，即Fmax=?FN。公式中，?為靜摩擦系數。物理學研究表明：同一物體的動摩擦系數和靜摩擦系數是不同的，并且靜摩擦系數大于動摩擦系數。江西省新余學院謝世漢教授曾經在《為什么靜摩擦系數大于動摩擦系數》一文中提出了以下幾個觀點。

（1）摩擦力的產生存在于“粘著”和“微凸體互嵌”兩種表面相互作用之中。

（2）決定摩擦系數大小的因素有：組成摩擦耦件的材料分子結構;表面加工的粗糙度;表面相對靜止的接觸時間;材料的彈塑性、物理特性;表面覆蓋物;動摩擦時夾雜在兩表面之間的微粒。

（3）動摩擦與靜摩擦的三個差異：表面相對靜止的接觸時間，靜摩擦大于動摩擦;動摩擦時，表面的物理特性不同于靜摩擦，可以回收一部分彈性形變能;動摩擦時，兩表面之間有微粒夾雜，會削弱兩種表面的相互作用。

謝教授的幾個觀點表述都相當專業(yè)，我們取其部分內容作簡單化理解：無論物體間的接觸面多么光滑，它們的表面都存在著凹凸體。將發(fā)生摩擦的兩個物體的接觸面放大，就可以看到最大靜摩擦發(fā)生時，物體從靜止到運動的變化是要把沒有變形的粗糙面切向擠壓到形變的程度（見圖2），滑動摩擦是在接觸面已經產生形變的基礎上，只需克服前面還未發(fā)生形變的粗糙顆粒（見圖3）。對比分析兩個模型，靜摩擦力應該大于滑動摩擦力。

三、最大靜摩擦力和動摩擦力的教學甄選

既然已經得出了科學的結論：測量物體的摩擦力采用剛啟動時的讀數或勻速中的讀數都是可行的，但兩種方法所測得的最大靜摩擦力和動摩擦力是兩個不同的物理概念，且它們的大小不同，教學時不可混淆。那么，從小學科學教師的角度而言，又該如何甄選測量方法開展教學實踐呢？測量時，又該注意一些什么？

（一）測量方法的甄選

基于最大靜摩擦力和動摩擦力的概念詮釋，教師在設計教學時不外乎有以下三種選擇。

1.尊重教材，按部就班

也就是說，依然采用測量最大靜摩擦力的方法，探究“摩擦力大小與接觸面狀況的關系”和“摩擦力大小與物體重力的關系”。這種設計的最大缺點是無法與初中的摩擦力測量方法接軌，會造成實驗方法斷層，給摩擦力測量的學習進階帶來不小的影響。

2.降低難度，棄“靜”留“動”

這種設計是將與“靜摩擦力”相關的內容和測量方法都刪除，從頭到尾只采納“動摩擦力”。其優(yōu)點是大大降低了教師“教”和學生“學”的難度，且和初中教學接軌。唯一的缺憾就是舍去了“靜摩擦力”，總覺得在學生的認知鋪墊上少了一個支柱。

3.全新解讀，科學授之

該設計的意思就是干脆全部放開，從開始教學時就告訴學生有兩種摩擦力以及不同的測量方法，然后選擇“物體勻速運動過程中的讀數”的方法來研究“摩擦力大小與什么有關”的問題，以及第6課“滑動與滾動”中的測量方法。這種設計的優(yōu)點是，讓學生知曉兩種摩擦力的測量方法，盡管在學生面前沒有提及“靜摩擦力”“動摩擦力”這兩個概念，但已進行無形滲透，為今后的學習起到了鋪墊作用。不足之處在于，這是否能與五年級學生的認知水平合拍？40分鐘的教學時間能否完成這個容量的教學任務？

權衡利弊之后，一線教師究竟該做如何抉擇？是否還有更恰當的第四種、第五種教學設計？相信這也是一個見仁見智的問題！

（二）測量條件的控制

關于摩擦力的測量，小學《科學》教材中還設置了一個非常嚴格的條件：測量水平方向運動物體受到的摩擦力。這是因為實際生產、生活中分析摩擦力方向是一個非常復雜的過程，而一個物體在水平方向被勻速拉動或有運動趨勢時，它在水平方向只受到拉力和摩擦力，垂直方向只受到重力和支撐面對它的支持力。此時，正壓力等于物體受到的重力，即動摩擦力與物體的重力成正比。

若物體沿斜面運動時（如圖4），物體對斜面的正壓力就不是物體的重力，而是物體的重力與cosα的乘積。經過數學運算的摩擦力，也可以視作與物體重力有關。

若物體被手按在垂直的墻面上并做向下滑動時（如圖5），此時的正壓力就是手對墻面的壓力F壓，與物體的重力是沒有任何關系的。

很明顯，對后兩種受力的分析遠高于小學生的認知水平，而用“測力計沿水平方向拉物體”測量摩擦力的方法，則巧妙地規(guī)避了這一難點，符合小學階段對摩擦力探究的水準，即“在水平面上拉動物體，物體重，運動時的摩擦力就大;物體輕，運動時的摩擦力就小”。

概而言之，摩擦力的測量是物理教學中的經典內容，教師只有從小學階段就開始給予學生正確的概念鋪墊和方法指導，才是真正實現(xiàn)一個趨向于大概念的學習過程。

參考文獻：

[1]趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]謝世漢.為什么靜摩擦系數大于動摩擦系數[N].江西師范大學學報：自然科學版，1984（2）.

[3]劉增澤，馮杰.牛頓三定律與摩擦力教學的實驗設計[J].物理教學探討，2017（8）.

（浙江省杭州市下城區(qū)教師教育學院? ?310005）