滑動(dòng)摩擦力的方向判斷技巧

彭遷

高考考試大綱對(duì)滑動(dòng)摩擦力劃定為“I”類要求，需要知道其內(nèi)容及含義，并能在有關(guān)問(wèn)題中識(shí)別和直接使用，與課程標(biāo)準(zhǔn)中的“了解”和“認(rèn)識(shí)”相當(dāng)。筆者認(rèn)為如此劃定是有待商榷的，滑動(dòng)摩擦力以其方向上的特殊性，在物體受力分析、共點(diǎn)力的分解與合成、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的處理方面，都有著重要的影響。把滑動(dòng)摩擦力提升到“理解”和“應(yīng)用”的層面是比較合適的，不僅要學(xué)生達(dá)到理解其確切含義及與其它知識(shí)的聯(lián)系，還要能夠敘述和解釋，并能在實(shí)際問(wèn)題的分析、綜合、推理和判斷等過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)用。因此，在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)滑動(dòng)摩擦力相關(guān)內(nèi)容的重視，尤其是滑動(dòng)摩擦力的方向的重視。

教材中對(duì)滑動(dòng)摩擦力有這樣的定義：兩個(gè)物體相互接觸并擠壓，當(dāng)它們沿接觸面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)物體的接觸面上都會(huì)受到對(duì)方作用的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，這種力叫做滑動(dòng)摩擦力。定義指明了滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的條件，具體可以歸納為四點(diǎn)：接觸、有彈性形變、接觸面粗糙、有相對(duì)滑動(dòng)。四個(gè)條件是“且”的邏輯運(yùn)算關(guān)系，只有四個(gè)條件同時(shí)成立，才會(huì)有滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生。有摩擦力的存在，才有對(duì)其描述的現(xiàn)實(shí)物理意義。力是矢量，要準(zhǔn)確地描述滑動(dòng)摩擦力，就應(yīng)該包括大小和方向兩個(gè)方面?；瑒?dòng)摩擦力大小的計(jì)算方法在此不贅述，詳見(jiàn)教材。本文重點(diǎn)就滑動(dòng)摩擦力方向的判斷闡明筆者的心得體會(huì)。定義中指明滑動(dòng)摩擦力要阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就是滑動(dòng)摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反。學(xué)習(xí)心理規(guī)律表明，剛剛進(jìn)入高一階段的學(xué)生，消化理解這種抽象的概念型描述還存在不小的難度，此階段學(xué)生對(duì)具象物理模型和程序化操作方法存在很大依賴。筆者堅(jiān)信突破這一教學(xué)難點(diǎn)關(guān)鍵在于，解釋清楚什么是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，交代怎樣尋找相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。在此，結(jié)合教育科學(xué)出版社物理必修1第二章第四節(jié)“討論交流”為例進(jìn)行說(shuō)明。

一、明確研究對(duì)象

力是物體與物體之間的相互作用，是施力物體與受力物體之間的相互作用，兩者必然同時(shí)存在。施力物體與受力物體具有相對(duì)性，當(dāng)確定兩物體間存在相互作用的滑動(dòng)摩擦力時(shí)，根據(jù)具體物理情境明確研究對(duì)象，并視研究對(duì)象為受力物體，相互作用的另外一個(gè)物體就是施力物體。當(dāng)判斷貨物A受到的滑動(dòng)摩擦力的方向時(shí)，研究對(duì)象即為貨物A，是受力物體，汽車(chē)B則是施力物體。

二、判斷相互作用的兩物體間的運(yùn)動(dòng)效果

要確定一個(gè)物體的位置并描述它的運(yùn)動(dòng)情況，就需要選定一個(gè)參考系作為參照，在有參考系的情況下描述物體的位置和運(yùn)動(dòng)情況才具有現(xiàn)實(shí)物理意義。當(dāng)然，選定的參考系不同，對(duì)同一研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)情況的描述可能會(huì)不一樣。所謂“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”，這個(gè)相對(duì)就是指的相對(duì)于選定的參考系，相對(duì)于選定的參考系而言，判斷物體的運(yùn)動(dòng)情況。中學(xué)階段，一般選取地面為參考系。根據(jù)施力物體與受力物體相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)情況（中學(xué)階段只要求兩物體運(yùn)動(dòng)方向在同一直線的情形）。在一維空間內(nèi)判斷施力物體與受力物體是在相互靠近，還是相互遠(yuǎn)離。靠近或遠(yuǎn)離的狀態(tài)就是兩者間相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)效果。取地面為參考系時(shí)，汽車(chē)的速度大于貨物的速度，在相同的時(shí)間內(nèi)，汽車(chē)向右前進(jìn)的距離大于貨物向右前進(jìn)的距離。此時(shí)，可以看到貨物A離汽車(chē)B右端越來(lái)越遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)效果。

三、確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向

物體間的運(yùn)動(dòng)效果不會(huì)因?yàn)閰⒖枷档母淖兌l(fā)生變化。以同學(xué)甲從圖書(shū)館三樓下降到二樓為例，在該物理情境中，不論以地面、三樓、二樓，還是其它物體作為參考系，得到的結(jié)果都是同學(xué)甲在圖書(shū)館下降了一層樓的高度。判斷出運(yùn)動(dòng)效果后，以施力物體為參考系，一旦作為參考系，不論施力物體處于何種運(yùn)動(dòng)情況，都認(rèn)為施力物體是靜止的。要實(shí)現(xiàn)兩物體間運(yùn)動(dòng)效果不變，受力物體相對(duì)于施力物體的運(yùn)動(dòng)方向即是相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。受力物體受到的滑動(dòng)摩擦力的方向即與該方向相反。討論貨物A受到的滑動(dòng)摩擦力方向時(shí)，就要以施力物體汽車(chē)B為參考系，參考系變了但貨物A離汽車(chē)B右端越來(lái)越遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)效果不變。汽車(chē)B一旦作為參考系，就要認(rèn)為汽車(chē)B是靜止的，則貨物A相對(duì)于參考系向左運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)于施力物體汽車(chē)B而言，貨物A向左運(yùn)動(dòng)。貨物A所受到的滑動(dòng)摩擦力方向就恰好與這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，即向右。

若要判斷汽車(chē)B受到的滑動(dòng)摩擦力的方向時(shí)，汽車(chē)B作為研究對(duì)象，是受力物體，貨物A則是施力物體。先以地面為參考系，可以看到貨物A離汽車(chē)B右端越來(lái)越遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)效果。再以施力物體貨物A為參考系，認(rèn)為貨物A靜止不動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)A離B右端越來(lái)越遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)效果，則汽車(chē)B相對(duì)于參考系向右運(yùn)動(dòng)，汽車(chē)B所受貨物A施加的滑動(dòng)摩擦力方向就應(yīng)該向左。

在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，為強(qiáng)化學(xué)生對(duì)這一方法的理解與運(yùn)用，可以充分地利用上述例子，將“汽車(chē)B速度大于貨物A速度”改為“汽車(chē)B速度小于貨物A速度”，其它條件不變，創(chuàng)造出另一種物理情境，要求學(xué)生判斷貨物A受到汽車(chē)B施加的滑動(dòng)摩擦力的方向，以及汽車(chē)B受到的貨物A施加的滑動(dòng)摩擦力的方向。既實(shí)現(xiàn)了教學(xué)情境的完整性，又形成對(duì)比，促進(jìn)學(xué)生對(duì)比思考、理解認(rèn)知，從而提高本考點(diǎn)教學(xué)效率。

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