關(guān)于摩擦力的微觀認(rèn)識(shí)

　　摘 要： 文章主要從摩擦力產(chǎn)生的微觀機(jī)制方面研究摩擦力，具體分析了三種影響機(jī)械摩擦力大小的因素，運(yùn)用分析討論的方法可以解決摩擦力教學(xué)當(dāng)中的一些難點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞： 摩擦力 靜摩擦力 微觀機(jī)制
　　
　　摩擦力的教學(xué)并非靠幾次課堂教學(xué)就能完成。摩擦力問題除了貫穿在力學(xué)的始終，電磁學(xué)等領(lǐng)域都將涉及摩擦力的問題。因此，學(xué)生對(duì)摩擦力掌握的程度直接影響以后的學(xué)習(xí)。
　　物理必修1第三章第三節(jié)摩擦力中，當(dāng)講述摩擦力的概念時(shí)沿用初中關(guān)于摩擦力的概念即：兩個(gè)相互接觸的物體，當(dāng)它們發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)的時(shí)候，就會(huì)在接觸面上產(chǎn)生一個(gè)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力，這個(gè)力叫做摩擦力。當(dāng)老師講述摩擦力的知識(shí)，關(guān)于摩擦力的產(chǎn)生條件往往會(huì)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(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。這四個(gè)條件也符合學(xué)生的日常認(rèn)知，比較容易被學(xué)生接受，但這只是摩擦力產(chǎn)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(xué)生對(duì)此并不理解。在教學(xué)中可以適當(dāng)?shù)亟榻B摩擦力產(chǎn)生的微觀機(jī)制，有利于學(xué)生對(duì)摩擦力的理解。學(xué)生對(duì)滑動(dòng)摩擦力的理解問題不大，相對(duì)滑動(dòng)在生活中實(shí)例很多。但是許多學(xué)生在靜摩擦力的理解過程中出現(xiàn)很多學(xué)習(xí)誤區(qū)，靜摩擦力的方向和大小是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，針對(duì)這一情況，本文就摩擦力的產(chǎn)生機(jī)制，靜摩擦力大小、方向等方面談?wù)劥譁\之見。
　　一、摩擦力的產(chǎn)生
　　產(chǎn)生摩擦力的原因很復(fù)雜。人類從十五世紀(jì)開始研究摩擦直到十八世紀(jì)末庫侖總結(jié)出摩擦定律止，科學(xué)家們才逐步建立了關(guān)于摩擦的凹凸嚙合說。這種學(xué)說認(rèn)為摩擦的產(chǎn)生是由于物體表面粗糙不平而導(dǎo)致的機(jī)械作用。按這種學(xué)說，兩個(gè)接觸面越光滑，摩擦力越小。但實(shí)際上，如果兩個(gè)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(chǎn)生了另一種學(xué)說叫分子粘合說。這種學(xué)說認(rèn)為，兩個(gè)接觸物體在相互擠壓時(shí)，接觸面的凸部接觸，產(chǎn)生塑性流動(dòng)，致使凸部變成一個(gè)稍大的平面。于是兩個(gè)物體在接觸面上產(chǎn)生了分子，原子性的粘合，從而導(dǎo)致了摩擦。因此摩擦力是一種電磁力。以上這兩種學(xué)說都只能較成功地解釋某些或某部分的摩擦現(xiàn)象。其實(shí)當(dāng)兩個(gè)物體相接觸時(shí)，有以下三種不同的情況eDoVWg7hEBRIg5i195dd0Q==。
　　1.接觸點(diǎn)。兩個(gè)表面真正接觸的部分由于正壓力的作用，接觸點(diǎn)都受到壓縮，一般情況下屬于彈性形變表層的兩個(gè)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(shí)。因此接觸點(diǎn)在接觸面較光滑時(shí)對(duì)摩擦力的貢獻(xiàn)較大。
　　2.交錯(cuò)點(diǎn)。這些點(diǎn)沒有相互接觸，但伸入到中心線以上，互相交錯(cuò)當(dāng)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們將發(fā)生碰撞，產(chǎn)生阻礙物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，消耗物體的動(dòng)能因此交錯(cuò)點(diǎn)在接觸面較粗糙的時(shí)候?qū)δΣ劣休^大的貢獻(xiàn)。
　　3.脫離部分。既不接觸，又沒有交錯(cuò)的部分在這些點(diǎn)上，兩表面的分子之間沒有相互作用力，對(duì)摩擦力沒有貢獻(xiàn)。
　　下面就是這三種情況的示意圖：
　　我們可以歸納產(chǎn)生摩擦的兩個(gè)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(duì)摩擦的產(chǎn)生起主要作用呢？物體表面比較粗糙的時(shí)候，微粒之間的作用力只發(fā)生在兩個(gè)接觸面凸起部分相接觸的地方，作用力很小，可以忽略不計(jì)。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(gè)接觸面的凹凸部分即交錯(cuò)點(diǎn)相互嚙合引起的。物體表面非常光滑的時(shí)候，物體的兩個(gè)接觸面充分接觸，許多部分間的距離已經(jīng)小到微粒的作用力范圍之內(nèi)，這些部分即接觸點(diǎn)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(xiàn)象。因?yàn)榻佑|面越光滑，發(fā)生引力作用的分子越多，摩擦力就越大。
　　二、靜摩擦力有關(guān)問題的理解
　　1.靜摩擦力跟滑動(dòng)摩擦力不一樣，它不是一個(gè)定值，其值0≤f靜≤fmax。當(dāng)物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，交錯(cuò)點(diǎn)間就會(huì)產(chǎn)生阻礙作用，相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)越大起阻礙作用的交錯(cuò)點(diǎn)的數(shù)量就會(huì)越多，阻礙作用就會(huì)越明顯，所以此時(shí)的靜摩擦力就會(huì)變大，直到物體開始相對(duì)滑動(dòng)。
　　2.最大靜摩擦力比滑動(dòng)摩擦力稍大?？捎媚Σ亮Ξa(chǎn)生的微觀機(jī)制來解釋。當(dāng)物體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)的時(shí)候，交錯(cuò)點(diǎn)之間會(huì)有力的作用，從而阻礙物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。這就是靜摩擦力，當(dāng)物體要運(yùn)動(dòng)而沒有運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生阻礙作用的交錯(cuò)點(diǎn)是最多的，從而產(chǎn)生最大的靜摩擦力。而物體之間發(fā)生了滑動(dòng)的時(shí)候，兩個(gè)接觸面的交錯(cuò)點(diǎn)部分相互碰撞，產(chǎn)生斷裂、磨損，從而減少了交錯(cuò)點(diǎn)之間的相互阻礙作用，因此滑動(dòng)時(shí)凹凸嚙合對(duì)摩擦力的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。所以最大靜摩擦力會(huì)比滑動(dòng)摩擦力稍大些。
　　綜上所述，在摩擦力的教學(xué)過程中適當(dāng)講解摩擦力的產(chǎn)生機(jī)制會(huì)加深學(xué)生對(duì)摩擦力的理解，在講解靜摩擦力的大小這部分內(nèi)容時(shí)運(yùn)用摩擦力產(chǎn)生的微觀機(jī)制可幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解該問題。要多舉例子讓學(xué)生直觀形象地理解靜摩擦力的方向問題。