摩擦力的課堂討論

摩擦力是中學(xué)物理概念應(yīng)用比較廣泛、重要但卻比較難理解的一個概念。通常的情況下，學(xué)生學(xué)習(xí)摩擦力的困難，卻沒有引起教師足夠的重視。課堂教學(xué)往往是停留在概念的字面上做文章，或者只是舉一些常規(guī)的事例。而事實發(fā)現(xiàn)，這樣的教學(xué)是不能夠讓學(xué)生理解、掌握并應(yīng)用摩擦力。我們發(fā)現(xiàn)在教學(xué)中，如果能夠結(jié)合學(xué)生比較熟悉的汽車，就與汽車有關(guān)的摩擦力和運動的關(guān)系和學(xué)生一起討論，他們往往會有比較深刻的印象。也更容易引發(fā)他們思考和理解，能夠培養(yǎng)他們在日常生活中勤于思考的習(xí)慣，分析和解決問題的能力，進一步提高他們學(xué)習(xí)物理的興趣。

下面是復(fù)習(xí)力和運動的關(guān)系時，就汽車摩擦力的產(chǎn)生、大小、方向與運動關(guān)系的課堂討論。

教師先介紹摩擦力的定義：

當(dāng)一個物體在另一個物體表面上滑動或有滑動的趨勢時，在其表面上會產(chǎn)生阻礙這種相對運動或相對運動趨勢的力就叫做摩擦力。

摩擦力方向與相對運動(相對運動趨勢)相反。 

老師汽車在平直的公路上勻速行駛時，請同學(xué)們分析汽車的受力情況。

部分學(xué)生汽車作勻速直線運動，那么，它 一定是受到了平衡力，也就是說，向前的牽引力和向后的摩擦力大小相等、方向相反。

教師根據(jù)學(xué)生的講述在黑板上畫了汽車示意圖，且在圖上標(biāo)注了牽引力和摩擦力Ｆ和ｆ。如圖一。 

老師同學(xué)們分析得很好，那么，汽車牽引力的施力物體是誰呢？

學(xué)生很快回答：是發(fā)動機。

教師大家繼續(xù)討論一下，汽車發(fā)動機是如何給汽車一個向前運動的力的呢？

學(xué)生議論１ 應(yīng)該就是這樣的吧，但不知道到底是怎么一回事。

學(xué)生議論2 對了，有的汽車驅(qū)動后輪，有的驅(qū)動前輪， 但這意味著牽引力是內(nèi)力，內(nèi)力是不可能給汽車自己一個向前的動力的。

教師知道同學(xué)們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了問題，便在黑板上作了簡圖二。教師現(xiàn)在我們來分析向前的牽引力F，看發(fā)動機是如何讓汽車前進的。如果發(fā)動機驅(qū)動后輪，就會使后輪的輪軸轉(zhuǎn)動，那么后輪上接觸地面的A點，相對于地面有向后轉(zhuǎn)動的趨勢，所以地面給車輪的摩擦力是向前的，正是這個摩擦力使汽車向前運動。所以，嚴格的說來，汽車牽引力應(yīng)該來自后輪受到地面的向前的摩擦力 。



學(xué)生１老師，你開始還肯定摩擦力是向后的，現(xiàn)在怎么又說汽車受到向前的摩擦力呢？

部分學(xué)生摩擦力成了動力，那摩擦阻力呢？難道就沒有阻力了嗎？

老師對啊，剛開始大家不都認同摩擦力和牽引力相反嗎，有誰知道問題出在哪里了呢？

學(xué)生２不會是前、后輪的摩擦力不一樣吧，對！前輪的摩擦力是向后的。 

教師為什么認為前輪和后輪會不一樣呢？

學(xué)生２具體我也不太清楚，在什么地方看到過，大卡車一般都是驅(qū)動后輪，那么，后輪和前輪應(yīng)該就會不一樣吧。

老師在黑板上又畫了圖三，用它來分析前輪的受力情況。

老師同學(xué)們，現(xiàn)在我們來分析汽車前輪的受力，假定這輛汽車是驅(qū)動后輪的，那么，前輪就是被推動向前運動的，所以前輪上接觸地面上的B點相對于地面有向前滑動的趨勢，因此地面給前輪的摩擦力就是與這種向前滑動相反的摩擦力，也就是說這個摩擦力ｆ２是向后的。

學(xué)生３老師，按你的分析，前、后輪都是向前運動，為什么一個摩擦力是向前，而一個又是向后的呢？

教室里有吱吱喳喳的聲音，同學(xué)們好像一下子又沒有了方向。

老師現(xiàn)在大家分頭討論，看誰能有更好的解釋。

同學(xué)們?nèi)鍘讉€湊在一起，各自發(fā)表自己的看法，并無所顧及地大聲爭論了起來，最后，有一組的一個同學(xué)被大家鼓動著站了起來。

學(xué)生４我們認為老師的說法是有道理的。因為前輪和后輪看上去都是向前運動的，但實際上運動的情況是不一樣的。就像我們騎自行車，腳用力蹬，通過鏈子帶動后輪旁邊的齒輪，使后輪轉(zhuǎn)動。而前輪卻是通過車架推動中心軸，在推動的瞬間，前輪是不會轉(zhuǎn)動的。

老師繼續(xù)這位同學(xué)的話題，提醒大家：當(dāng)一個物體在另一個物體表面上剛開始運動時，存在兩種趨勢，一種是轉(zhuǎn)動，一種是滑動，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動與滑動的情形與物體的實際形狀及力作用的實際位置都有關(guān)，也就是說與力的作用效果有關(guān)。汽車在啟動時，后輪與地面的接觸點A相對于地面的運動趨勢向后，于是產(chǎn)生摩擦力與輪胎向后轉(zhuǎn)動趨勢要相反，也就是說地面給它的摩擦力方向是向前的；而前輪受到的力是作用在中心軸上，這個力產(chǎn)生的效果不會使輪胎轉(zhuǎn)動，而是使前輪整體有向前滑動的趨勢，即前輪與地面的接觸點B相對地面有向前運動的趨勢，于是就產(chǎn)生阻礙這種向前滑動的摩擦力。即地面給前輪的摩擦力方向是向后的。

老師詳細對比分析了黑板上圖二、圖三中，前、后輪的運動趨勢及各自的摩擦力的方向。

老師我們開始說到汽車受到向前的牽引力F應(yīng)該是由發(fā)動機引起的，而能夠讓汽車前進的力是后輪受到地面給它向前的摩擦力ｆ１；而汽車受到向后的摩擦力，應(yīng)該是前輪受到地面給它的向后摩擦力ｆ２。汽車的運動狀態(tài)也是由這兩個摩擦力的大小來決定的。當(dāng)然，我們現(xiàn)在討論的只是汽車與地面的摩擦力問題，而完全忽略了空氣給汽車的摩擦阻力。實際上，空氣給汽車的摩擦力也是不可忽視的。

說到這里，學(xué)生們似乎被說服了， 但又好像他們還處在討論的興奮之中，還有話要說。

老師關(guān)于這個問題你們還有什么要說的嗎？

有同學(xué)站了起來。

學(xué)生5老師，按你的分析看摩擦力既是動力又是阻力，那么，汽車在運動的過程當(dāng)中，我們要增大它受到的摩擦力還是要減小呢？

老師弄清楚汽車牽引力和阻力的情況下，我們就來討論這個問題。根據(jù)前面所學(xué)過的內(nèi)容，當(dāng)汽車剛開始發(fā)動的時候，它需要一個非平衡力來改變它的靜止?fàn)顟B(tài)，所以，這時候要求牽引力大于阻力，也就是要求ｆ１＞ｆ２，如果后輪受到的摩擦力不夠大，那么汽車就不會前進；汽車減速的時候就要求ｆ１＜ｆ２，讓汽車的速度減??；當(dāng)汽車勻速運動的時候，受到了平衡力即ｆ１＝ｆ２。當(dāng)摩擦力保持在一個讓汽車勻速運動的時候，汽車速度的大小就由汽車的馬力來決定了。

汽車在發(fā)動的時候，我們應(yīng)該想辦法增大ｆ１，且要大于ｆ２汽車才會前進；當(dāng)汽車運動起來以后，勻速前進時ｆ１＝ｆ２，這時，摩擦力的大小不變，汽車前進的速度只與它這個時候的功率有關(guān)，功率越大速度越快。

學(xué)生6前后輪的摩擦力大小不相等。而我們知道影響摩擦力大小的因素是輪胎和地面之間的正壓力和接觸面積，難道前、后輪和地面的接觸面積和受到的壓力大小都不相等嗎？

老師這位同學(xué)的問題提得很好，對于摩擦力產(chǎn)生的原因有比較深入的考慮。那么，關(guān)于這個問題同學(xué)們有什么看法？

學(xué)生7我認為前后輪與地面之間的正壓力與接觸面積應(yīng)該不一樣，因為汽車的貨物都是裝在后面車廂里的，后輪承受的壓力要大，外表看上去應(yīng)該扁一些，與地面之間的接觸面積也要大一些，有的大型的汽車，后面有好多的輪胎，可能就是要增大面積來增大承受力和摩擦力吧。

老師大家是不是覺得這位同學(xué)解釋比較合理呢？如果大家還有疑問，放學(xué)以后，方便路過汽車修理店的同學(xué)，可以去問一問汽車修理師傅，看大卡車的后輪是不是要比前輪要容易壞一些？得到答案的同學(xué)不要忘了把信息反饋給大家喲！ 

部分學(xué)生這樣解釋應(yīng)該是有道理的，不過去問的話也很方便的。

老師還有沒有與汽車有關(guān)的問題呢？

學(xué)生８有時候汽車打滑，后輪在泥坑里打轉(zhuǎn)，向后甩泥，但汽車卻不能前進。

老師同學(xué)們，你們以前有沒有發(fā)現(xiàn)汽車打滑的情景，和這樣位同學(xué)說的是不是一樣呢？

學(xué)生好像都是一樣的。

不等老師提問，就有同學(xué)站了起來。

學(xué)生９我想如果馬路邊上的泥坑不太長的話，當(dāng)汽車前輪進入泥坑的時候，后輪還是在正常的馬路上，因而汽車受到正常的推動力汽車能夠前進，而當(dāng)后輪進入泥坑的時候，由于受到的摩擦力不夠，因而汽車就不能前進了。這與冬天路面被冰凍了，汽車不能前進一樣。

老師分析得很好。你們是不是也這么想過呢？同學(xué)們還有什么問題嗎？

學(xué)生10馬路上我們經(jīng)?？吹介L長的剎車印，剎車印與一般的汽車輪胎印不一樣，沾有泥的輪胎在馬路上留下的是輪胎的花紋，而剎車印就是長長的一片黑色，為什么會不一樣呢？

學(xué)生11我發(fā)現(xiàn)一輛汽車剎車的地方，有的剎車印很長，有的比較短，搞不懂到底是后輪還是前輪留下的，為什么會有長短不一樣呢？

老師發(fā)現(xiàn)當(dāng)有的學(xué)生提問時，其它的同學(xué)有認真的聽，有的邊聽邊點頭表示贊同，有的還忙著把他們的問題記錄下來。

老師那么有誰知道為什么，剎車印與一般汽車的輪胎印不一樣嗎？

學(xué)生12我知道，那是因為剎車時輪胎在馬路上不是滾動而是滑動，滾動時輪胎表面都與地面接觸，因而會留下花紋；而滑動時與地面接觸的是輪胎的某一處，且滑動摩擦力要大于滾動摩擦力，因而沒有花紋，只有黑色的橡膠擦痕。

老師是啊，說得很有道理，那誰來回答剎車印長、短的問題呢？

學(xué)生13我想是這樣的，汽車剎車時，后輪先停止轉(zhuǎn)動，但由于慣性繼續(xù)向前，這時只能滑動，滑動就開始留下黑色的剎車印，而這時前輪如果同時和后輪一起被制動的話，那么，它也會和后車輪一樣滑動而留下剎車印；但如果前輪剎車比后輪來得遲一些，那么前輪滑動的時間要短一些，也就是說剎車印要短一些，但如果前輪沒有剎車的話，就有可能當(dāng)后輪滑動的時候，它還在轉(zhuǎn)動因而就會沒有剎車印。與前后輪同時制動的情況比較，就可能會有更長的剎車印。警察就是根據(jù)剎車印的長短和形狀來判斷事故發(fā)生時，汽車的剎車情形以及汽車剎車系統(tǒng)的狀況。

學(xué)生哇，很有見解！

有的同學(xué)甚至鼓起掌來。

老師開心的笑了，一方面對同學(xué)們的行為表示認可，一方面對回答問題的同學(xué)表示了贊許。

老師這一節(jié)課，你們感覺收獲如何？

同學(xué)們七嘴八舌的說了起來：開始我們對摩擦力的產(chǎn)生、方向，都不怎么清楚，通過大家的討論，我們就明白了。

有的同學(xué)說：其實生活當(dāng)中好多的問題都與物理知識有關(guān)，這些回答問題的同學(xué)知道的東西很多，值得我們學(xué)習(xí)。

有的同學(xué)笑著說：不知道他們是怎樣知道這些東西的，有時間我們要多討論討論！

這時，下課鈴響了。

老師同學(xué)們，物理知識就在我們的身邊，要想學(xué)好，并且能夠應(yīng)用到生活和實踐當(dāng)中去，這就要求大家在日常生活中留心觀察、勤于思考、長期積累、養(yǎng)成習(xí)慣，會給我們今后的學(xué)習(xí)和生活帶來很大的幫助。

注：本文中所涉及到的“圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>