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关于摩擦力,在现行人教版《高中物理必修一》第58~59页有相关表述,摘录如下:
(1)两个相互接触的物体,当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力,这种力叫做摩擦力(frictional force)。
(2)由于这时两个物体之间只有相对运动的趋势,而没有相对滑动,所以这时的摩擦力叫做静摩擦力(static frictional force)。
(3)当一个物体在另一个物体表面滑动的时候,会受到另一个物体阻碍它滑动的力,这种力叫做滑动摩擦力(sliding frictional force)。
以上三段表述,分别定义了摩擦力、静摩擦力和滑动摩擦力。在笼统定义摩擦力时,使用了“发生相对运动或具有相对运动趋势”的表述,在定义静摩擦力时,使用了“相对运动的趋势,而没有相对滑动”的表述,在定义滑动摩擦力时,使用了“滑动的时候,会受到另一个物体阻碍它滑动的力”的表述。对照三者,不难发现,其中关于下述三组概念的使用并不规范,即:“滑动”和“运动”、“相对滑动”和“相对运动”、“相对滑动趋势”和“相对运动趋势”。
这三组概念的前后不一,容易给学生的认知带来混乱。例如,在分析人走路、猴子爬树、自行车的前后轮与地面等问题中的摩擦力时,初学者容易将其混为一谈,导致错误。
先说“运动”。广义的“运动”是自然界的一切物体的基本状态,绝对静止的物体是不存在的。而经典物理中狭义的“运动”是指物体相对参考系的位置发生了变化,一般默认为以地面为参考系,而“相对运动”一般是相对特定的参考系的位置发生了变化,显然,“运动”与“相对运动”需要注意区分,这是学生容易理解的。“相对运动趋势”则是在接触面上的静摩擦力确定之前预先判定的,等同于“相对滑动趋势”。
再说“滑动”。“滑动”是指一个物体在另一物体上接触面不变地移动,如滑冰时冰刀在冰上的移动,如餐盘在桌上的移动。“滑动”也分平动和转动,属于运动,但比较复杂,目前的高中物理并未涉及这一定义,本文不加展开,只强调其“接触面不变地移动”这个属性,以区分一般意义上的“运动”。可以确定,“相对滑动”就是相对于与其接触的另一个物体的“滑动”,即“相对滑动”和“滑动”两者等价。“相对滑动趋势”则意味着在接触面上的静摩擦力确定之前可以预先判定,等同于“相对运动趋势”。
综上,在讨论“摩擦力”的时候,务必明确:滑动摩擦力与“滑动”(即“相对滑动”)密切相关,静摩擦力只与“滑动趋势”相关,均与“运动”没有直接关系。弄清了这一点,下面四个使学生容易犯错的实例均变得简单明了。
⒈人走路时摩擦力的分析
学生容易犯的错误是:由于人往前走,即相对于地往前运动,所以受到向后的摩擦力,而且是滑动摩擦力。这种错误的原因明显是混淆了滑动与运动所致。若学生明白了脚底与地只要没有打滑,就不可能受到滑动摩擦力,这个错误就能避免。走路时可以简化为前脚和后脚的问题,后脚向后蹬地,所以受到向前的静摩擦力,前脚则受到向后的静摩擦力。
2.猴子爬树的摩擦力分析
学生容易犯的错误是:猴子只要在爬树,就一定受到滑动摩擦力,往上爬时,受到向下的滑动摩擦力,往下爬时,受到向上的滑动摩擦力。这个错误也显然是混淆了滑动和运动。猴子爬树,只要没打滑,就不可能产生滑动摩擦力。而由于重力方向未变,始终向下,向上爬时和向下爬时,相对滑动趋势均向下,所以所受静摩擦力始终向上。
⒊主动轮和从动轮的摩擦力分析
学生容易犯的错误是:汽车往前开,就是相对于地面往前运动,所以受到向后的滑动摩擦力。这个错误与前面的类似,依然是混淆了滑动和运动。问题的关键是学生没有抓住问题的核心,核心是接触面上双方是没有滑动的。所以没有滑动摩擦,应该是静摩擦力,驱动轮向后刨地,所以受到向前的摩擦力,从动轮受到向后的摩擦力。当然由于高中阶段不要求滚动摩擦,所以这样处理是可以接受的。
⒋传送带的摩擦力分析
关于传送带摩擦力,学生容易错误理解为滑动摩擦力。而只要抓住接触面上是否打滑的特征就很容易知道是静摩擦力还是滑动摩擦力。至于具体方向,不再赘述。若将物体E轻放其上,则显然由于“跟不上”,即有相对滑动,所以有滑动摩擦力,而且方向向前。至于达到相同速度以后,则由于没有滑动,也没有滑动趋势,所以不再受摩擦力的作用。当然,若皮带加速运动,则会导致E受到向前的摩擦力,若加速度较小,E受到的是静摩擦力,加速度较大,受到的是滑动摩擦力,再次生动地说明摩擦力与滑动的紧密关联性。
显然,由于前述的四个实例均涉及到比较复杂的运动,不能视为质点,学生的错误恰恰在于将相关对象错误地简化为质点,进而混淆了“运动”与“滑动”。对此,笔者建议将现行人教版教材《高中物理必修一》第58~59页上的三段相关表述中的“运动”均替换为“滑动”。
当然,关于滚动摩擦力矩、摩擦力的微观本质、平动与转动等等问题,不属于本文讨论的范畴,略去不谈。以上论述是我个人的一孔之见,欢迎同行教师批评指正。
(作者单位:浙江省杭州市萧山区第十高级中学)
(1)两个相互接触的物体,当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力,这种力叫做摩擦力(frictional force)。
(2)由于这时两个物体之间只有相对运动的趋势,而没有相对滑动,所以这时的摩擦力叫做静摩擦力(static frictional force)。
(3)当一个物体在另一个物体表面滑动的时候,会受到另一个物体阻碍它滑动的力,这种力叫做滑动摩擦力(sliding frictional force)。
以上三段表述,分别定义了摩擦力、静摩擦力和滑动摩擦力。在笼统定义摩擦力时,使用了“发生相对运动或具有相对运动趋势”的表述,在定义静摩擦力时,使用了“相对运动的趋势,而没有相对滑动”的表述,在定义滑动摩擦力时,使用了“滑动的时候,会受到另一个物体阻碍它滑动的力”的表述。对照三者,不难发现,其中关于下述三组概念的使用并不规范,即:“滑动”和“运动”、“相对滑动”和“相对运动”、“相对滑动趋势”和“相对运动趋势”。
这三组概念的前后不一,容易给学生的认知带来混乱。例如,在分析人走路、猴子爬树、自行车的前后轮与地面等问题中的摩擦力时,初学者容易将其混为一谈,导致错误。
先说“运动”。广义的“运动”是自然界的一切物体的基本状态,绝对静止的物体是不存在的。而经典物理中狭义的“运动”是指物体相对参考系的位置发生了变化,一般默认为以地面为参考系,而“相对运动”一般是相对特定的参考系的位置发生了变化,显然,“运动”与“相对运动”需要注意区分,这是学生容易理解的。“相对运动趋势”则是在接触面上的静摩擦力确定之前预先判定的,等同于“相对滑动趋势”。
再说“滑动”。“滑动”是指一个物体在另一物体上接触面不变地移动,如滑冰时冰刀在冰上的移动,如餐盘在桌上的移动。“滑动”也分平动和转动,属于运动,但比较复杂,目前的高中物理并未涉及这一定义,本文不加展开,只强调其“接触面不变地移动”这个属性,以区分一般意义上的“运动”。可以确定,“相对滑动”就是相对于与其接触的另一个物体的“滑动”,即“相对滑动”和“滑动”两者等价。“相对滑动趋势”则意味着在接触面上的静摩擦力确定之前可以预先判定,等同于“相对运动趋势”。
综上,在讨论“摩擦力”的时候,务必明确:滑动摩擦力与“滑动”(即“相对滑动”)密切相关,静摩擦力只与“滑动趋势”相关,均与“运动”没有直接关系。弄清了这一点,下面四个使学生容易犯错的实例均变得简单明了。
⒈人走路时摩擦力的分析
学生容易犯的错误是:由于人往前走,即相对于地往前运动,所以受到向后的摩擦力,而且是滑动摩擦力。这种错误的原因明显是混淆了滑动与运动所致。若学生明白了脚底与地只要没有打滑,就不可能受到滑动摩擦力,这个错误就能避免。走路时可以简化为前脚和后脚的问题,后脚向后蹬地,所以受到向前的静摩擦力,前脚则受到向后的静摩擦力。
2.猴子爬树的摩擦力分析
学生容易犯的错误是:猴子只要在爬树,就一定受到滑动摩擦力,往上爬时,受到向下的滑动摩擦力,往下爬时,受到向上的滑动摩擦力。这个错误也显然是混淆了滑动和运动。猴子爬树,只要没打滑,就不可能产生滑动摩擦力。而由于重力方向未变,始终向下,向上爬时和向下爬时,相对滑动趋势均向下,所以所受静摩擦力始终向上。
⒊主动轮和从动轮的摩擦力分析
学生容易犯的错误是:汽车往前开,就是相对于地面往前运动,所以受到向后的滑动摩擦力。这个错误与前面的类似,依然是混淆了滑动和运动。问题的关键是学生没有抓住问题的核心,核心是接触面上双方是没有滑动的。所以没有滑动摩擦,应该是静摩擦力,驱动轮向后刨地,所以受到向前的摩擦力,从动轮受到向后的摩擦力。当然由于高中阶段不要求滚动摩擦,所以这样处理是可以接受的。
⒋传送带的摩擦力分析
关于传送带摩擦力,学生容易错误理解为滑动摩擦力。而只要抓住接触面上是否打滑的特征就很容易知道是静摩擦力还是滑动摩擦力。至于具体方向,不再赘述。若将物体E轻放其上,则显然由于“跟不上”,即有相对滑动,所以有滑动摩擦力,而且方向向前。至于达到相同速度以后,则由于没有滑动,也没有滑动趋势,所以不再受摩擦力的作用。当然,若皮带加速运动,则会导致E受到向前的摩擦力,若加速度较小,E受到的是静摩擦力,加速度较大,受到的是滑动摩擦力,再次生动地说明摩擦力与滑动的紧密关联性。
显然,由于前述的四个实例均涉及到比较复杂的运动,不能视为质点,学生的错误恰恰在于将相关对象错误地简化为质点,进而混淆了“运动”与“滑动”。对此,笔者建议将现行人教版教材《高中物理必修一》第58~59页上的三段相关表述中的“运动”均替换为“滑动”。
当然,关于滚动摩擦力矩、摩擦力的微观本质、平动与转动等等问题,不属于本文讨论的范畴,略去不谈。以上论述是我个人的一孔之见,欢迎同行教师批评指正。
(作者单位:浙江省杭州市萧山区第十高级中学)