摩擦力作为中学物理中的“五大主力”之一长期盘踞于中学物理课程中(重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力),虽然经过历次课程改革,摩擦力却能稳稳当当地把持住其在中学物理课程中的一席领地,可想其重要性是不言而喻的。在摩擦力教学过程中存在着诸多的困惑,引发笔者对其进行深入的思考与探究。
一、摩擦力产生的原因是什么?
摩擦力产生于有相对运动趋势或发生相对运动的两个物体之间,要想弄清楚其产生的原因,就要分析接触面之间的电磁力相互作用,接触面之间的电磁力作用非常复杂,无法解释清楚摩擦力产生的原因,也无法解释清楚当物体由静摩擦变为滑动摩擦后滑动摩擦力小于最大静摩擦力,当然,更无法对学生进行明了通透的解释。
教学对策 摩擦力产生的原因,只能作一些定性的了解,可以做一做摩擦起电的实验来说明其原因。两个物体摩擦出现了电荷的转移,两个物体带异种电荷,说明在发生相对运动的时候,两接触物体之间电荷发生了相互作用,即摩擦力的本质机制是两个接触物体之间的电荷发生了电磁相互作用。
二、动摩擦因数对确定的材料是不变的常数么?动摩擦因数为什么与接触面积的大小无关?
动摩擦因数是受众多因素影响的。既与接触面的材料有关,又与接触面的干湿程度有关,;与接触面的相对运动速度关系比较复杂,当相对速度较小时,动摩擦因数基本不变,相对速度较大时,动摩擦因数变大。动摩擦因数是个容易随不同情况变化的物理量,两个物体之间的动摩擦因数要在具体的问题情境中测定。不同的材料,不同的干湿程度,不同的相对运动速度,动摩擦因数均不相同,且变化较大。高中教材中提供的动摩擦因数应该作为在接触面比较干燥、相对速度比较小的情况下的参考值。
动摩擦因数与接触面的面积无关。对于这个结论,可以建立以下模型来解释:两个给定刚性物体的表面动摩擦因数是否与接触面积有关,就必须看相应的摩擦力是否与接触面积有关,滑动摩擦力实际上与接触面面积的大小无关,对这个事实也许有人觉得奇怪。按照目前较流行的理论认为,这是因为实际接触面积是属于原子尺度的,它只占总的几何接触面积的一个极微小的部分,而摩擦力的出现是由于在原子接触的这些微小区域内原子之间的相互作用力。原子接触面积占几何接触面积的比例,正比于法向力除以几何接触面积。因此,当法向力增大一倍,原子接触面积也增大一倍,摩擦力便增大一倍,这就是摩擦力正比于正压力的原因。但是,如果几何接触面积增大一倍,而法向力保持不变,则原子接触面积占几何接触面积的比例减小一半,即原子接触面积的实际面积不变,因而摩擦力不变,动摩擦因数也不变。(这种通行解释理论尚没有得到科学论证)
教学对策 我们可以通过可行性的实验来测定动摩擦因数并验证以上几个结论,笔者设计如下实验来测定与验证。
探究目标:探究动摩擦因数与接触面的材料、面积、干湿、相对速度的关系,
实验器材:玻璃板、铁板、泡沫板等各一张、各面光滑程度相同的摩擦计滑块、长木板、细绳、测力计等。
F%20实验方法:(如图所示)将一段固定的测力计拴在滑块上,并使木块位于水平木板上,使木板匀速直线运动,测力计与滑块虽然处于静止状态,但木块与木板发生相对运动,因此,滑块受到滑动摩擦力。观察测力计的读数F,根据F=f测得f的大小。%20探究目标%20研究μ与面积的关系%20研究μ与接触面的干湿度的关系%20研究μ与相对速度的关系%20N=2.25N%20S=23.56cm
接触面:木-木%20木-铁%20木-泡沫%20玻璃-铁%20玻璃-木
f/N%200.66%200.70%200.82%200.63%201.05%20N=2.25N%20接触面:木-木
S/cm2%2023.56%2012.16%2010.64%204.56
f/N%200.61%200.60%200.62%200.64%20S=23.56cm%20接触面:木-木
NN%201.44%201.93%202.42%202.91%203.40
干燥%20f/N%200.47%200.67%200.86%200.96%201.25
湿润 f/N 0.12 0.13 0.18 0.27 0.57 改变拉动长板的速度,当速度显著变大时,摩擦力变大,当速度变化不大时摩擦力不变 μ与接触面性质有关 μ与接触面积无关 μ与干湿程度有关 相对速度较小μ与相对速度无关 研究μ与接触面的性质关系 实验数据与结果:按如图安装实验器材,并按下表格中的控制变量法进行本实验。控制的变量有接触面材料性质、面积、干湿、相对运动快慢等因素,每次实验仅保持一个变量变化,其他变量不变。通过实验,可以得出:1、动摩擦因数与接触面的材料有关,与接触面的相对运动速度无关(相对速度较小),与接触面的干湿程度有关,动摩擦因数与接触面积的大小无关。
物理教学过程是感性的观察实验与理性的科学论证相结合探究过程,不仅可以通过观察外在的物理现象进行感性探究,也可以通过理论分析论证弄清楚现象背后的内在、本质的规律。在《摩擦力》教学中,笔者感受到存在许多不确定的或未知的问题,许多问题无法进行理性的科学论证,因此,教师在教学中注重摩擦力知识的实验探究,通过实验让学生在实验探究中化解摩擦力教学中的难点,以便圆满地完成教学目标。