葉曉林

【摘? ?要】在用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量摩擦力時(shí)，有的教師會(huì)選擇物體剛啟動(dòng)時(shí)的讀數(shù)，有的教師會(huì)選擇物體勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的讀數(shù)。孰是孰非，莫衷一是?；诖?，教師可以從摩擦力的概念認(rèn)知出發(fā)，采用一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研討最大靜摩擦力和動(dòng)摩擦力之間的異同，闡述選擇的理由，并對(duì)“測(cè)量時(shí)為什么要沿水平方向拉動(dòng)”進(jìn)行深入的分析，從而給予學(xué)生正確的概念鋪墊和方法指導(dǎo)，真正實(shí)現(xiàn)一個(gè)趨向于大概念的學(xué)習(xí)過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】摩擦力;靜摩擦力;動(dòng)摩擦力

摩擦力是經(jīng)典力學(xué)中的一個(gè)名詞，是指兩個(gè)互相接觸的物體有彈力，當(dāng)它們發(fā)生或有趨勢(shì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)在接觸面上產(chǎn)生一種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，這種力就叫作摩擦力。教育科學(xué)出版社出版的小學(xué)《科學(xué)》五年級(jí)上冊(cè)“運(yùn)動(dòng)和力”單元第5課《運(yùn)動(dòng)與摩擦力》中采用的測(cè)量定義是：我們用測(cè)力計(jì)沿水平方向拉一個(gè)物體，剛好能使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來(lái)的力就相當(dāng)于它受到的摩擦力。而浙江教育出版社出版的初中《科學(xué)》七年級(jí)下冊(cè)第三章第六節(jié)中，探究“摩擦力大小與什么有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)量方法是：用彈簧測(cè)力計(jì)勻速拉動(dòng)物體，并在這一過(guò)程中快速讀數(shù)。兩種測(cè)量方法孰是孰非，一線教師究竟該如何進(jìn)行教材解讀并做出抉擇？

一、最大靜摩擦力和動(dòng)摩擦力的概念辨析

在物理學(xué)中，摩擦力分為兩種：一種是兩個(gè)接觸物體之間存在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，接觸面上產(chǎn)生阻礙對(duì)方滑動(dòng)的阻力，被稱(chēng)為動(dòng)滑動(dòng)摩擦力，簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)摩擦力;另一種是兩個(gè)相互接觸的靜止物體，當(dāng)接觸表面之間有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì)，會(huì)產(chǎn)生阻礙相對(duì)滑動(dòng)的阻力，被稱(chēng)為靜滑動(dòng)摩擦力，簡(jiǎn)稱(chēng)靜摩擦力。當(dāng)外力增大時(shí)，靜摩擦力也隨之增大，但當(dāng)外力增大到一定數(shù)值時(shí)，物體就會(huì)運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)靜摩擦力增加到一定數(shù)值后就不能再增大了，這一數(shù)值的靜摩擦力叫作最大靜滑動(dòng)摩擦力，簡(jiǎn)稱(chēng)最大靜摩擦力。因此，測(cè)量物體剛剛運(yùn)動(dòng)起來(lái)的力就相當(dāng)于測(cè)量了物體的最大靜摩擦力;而測(cè)量勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力就相當(dāng)于測(cè)量了物體的動(dòng)摩擦力。需要補(bǔ)充解釋的是，物體剛剛運(yùn)動(dòng)起來(lái)的力和最大靜摩擦力只能用“相當(dāng)于”一詞來(lái)表述，不能用“等同于”，因?yàn)閯傔\(yùn)動(dòng)起來(lái)的力恰好突破了最大靜摩擦力的臨界點(diǎn)，如果是“等同于”，則在二力平衡之下，物體永遠(yuǎn)處在靜止?fàn)顟B(tài)。

那么，在測(cè)量物體摩擦力大小時(shí)，能否將同一物體的最大靜摩擦力和動(dòng)摩擦力混為一談？它們的大小相同嗎？對(duì)此，還是用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話比較科學(xué)。

二、最大靜摩擦力和動(dòng)摩擦力的大小比較

教師可設(shè)計(jì)三組實(shí)驗(yàn)：分別在光滑的桌面、1000目砂紙、280目砂紙上拉同一物體，以測(cè)量物體剛啟動(dòng)時(shí)的最大靜摩擦力和勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)摩擦力。測(cè)量時(shí)只改變接觸面的光滑程度，盡可能控制其他的相關(guān)變量。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

教師匯總整理三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出表1。

從數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，不管接觸面的光滑程度怎樣變化，測(cè)得的“剛啟動(dòng)時(shí)的摩擦力”與“勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力”數(shù)值都是不同的，而且數(shù)值還呈現(xiàn)出一個(gè)很有趣的規(guī)律：“剛啟動(dòng)時(shí)的摩擦力”總是大于“勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力”。為什么會(huì)這樣呢？

動(dòng)摩擦力與兩物體間的正壓力FN成正比。即Fd=fd·FN，其中fd為動(dòng)摩擦系數(shù)。最大靜摩擦力與兩物體間的正壓力FN成正比，即Fmax=?FN。公式中，?為靜摩擦系數(shù)。物理學(xué)研究表明：同一物體的動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)是不同的，并且靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)。江西省新余學(xué)院謝世漢教授曾經(jīng)在《為什么靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)》一文中提出了以下幾個(gè)觀點(diǎn)。

（1）摩擦力的產(chǎn)生存在于“粘著”和“微凸體互嵌”兩種表面相互作用之中。

（2）決定摩擦系數(shù)大小的因素有：組成摩擦耦件的材料分子結(jié)構(gòu);表面加工的粗糙度;表面相對(duì)靜止的接觸時(shí)間;材料的彈塑性、物理特性;表面覆蓋物;動(dòng)摩擦?xí)r夾雜在兩表面之間的微粒。

（3）動(dòng)摩擦與靜摩擦的三個(gè)差異：表面相對(duì)靜止的接觸時(shí)間，靜摩擦大于動(dòng)摩擦;動(dòng)摩擦?xí)r，表面的物理特性不同于靜摩擦，可以回收一部分彈性形變能;動(dòng)摩擦?xí)r，兩表面之間有微粒夾雜，會(huì)削弱兩種表面的相互作用。

謝教授的幾個(gè)觀點(diǎn)表述都相當(dāng)專(zhuān)業(yè)，我們?nèi)∑洳糠謨?nèi)容作簡(jiǎn)單化理解：無(wú)論物體間的接觸面多么光滑，它們的表面都存在著凹凸體。將發(fā)生摩擦的兩個(gè)物體的接觸面放大，就可以看到最大靜摩擦發(fā)生時(shí)，物體從靜止到運(yùn)動(dòng)的變化是要把沒(méi)有變形的粗糙面切向擠壓到形變的程度（見(jiàn)圖2），滑動(dòng)摩擦是在接觸面已經(jīng)產(chǎn)生形變的基礎(chǔ)上，只需克服前面還未發(fā)生形變的粗糙顆粒（見(jiàn)圖3）。對(duì)比分析兩個(gè)模型，靜摩擦力應(yīng)該大于滑動(dòng)摩擦力。

三、最大靜摩擦力和動(dòng)摩擦力的教學(xué)甄選

既然已經(jīng)得出了科學(xué)的結(jié)論：測(cè)量物體的摩擦力采用剛啟動(dòng)時(shí)的讀數(shù)或勻速中的讀數(shù)都是可行的，但兩種方法所測(cè)得的最大靜摩擦力和動(dòng)摩擦力是兩個(gè)不同的物理概念，且它們的大小不同，教學(xué)時(shí)不可混淆。那么，從小學(xué)科學(xué)教師的角度而言，又該如何甄選測(cè)量方法開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐呢？測(cè)量時(shí)，又該注意一些什么？

（一）測(cè)量方法的甄選

基于最大靜摩擦力和動(dòng)摩擦力的概念詮釋?zhuān)處熢谠O(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)不外乎有以下三種選擇。

1.尊重教材，按部就班

也就是說(shuō)，依然采用測(cè)量最大靜摩擦力的方法，探究“摩擦力大小與接觸面狀況的關(guān)系”和“摩擦力大小與物體重力的關(guān)系”。這種設(shè)計(jì)的最大缺點(diǎn)是無(wú)法與初中的摩擦力測(cè)量方法接軌，會(huì)造成實(shí)驗(yàn)方法斷層，給摩擦力測(cè)量的學(xué)習(xí)進(jìn)階帶來(lái)不小的影響。

2.降低難度，棄“靜”留“動(dòng)”

這種設(shè)計(jì)是將與“靜摩擦力”相關(guān)的內(nèi)容和測(cè)量方法都刪除，從頭到尾只采納“動(dòng)摩擦力”。其優(yōu)點(diǎn)是大大降低了教師“教”和學(xué)生“學(xué)”的難度，且和初中教學(xué)接軌。唯一的缺憾就是舍去了“靜摩擦力”，總覺(jué)得在學(xué)生的認(rèn)知鋪墊上少了一個(gè)支柱。

3.全新解讀，科學(xué)授之

該設(shè)計(jì)的意思就是干脆全部放開(kāi)，從開(kāi)始教學(xué)時(shí)就告訴學(xué)生有兩種摩擦力以及不同的測(cè)量方法，然后選擇“物體勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的讀數(shù)”的方法來(lái)研究“摩擦力大小與什么有關(guān)”的問(wèn)題，以及第6課“滑動(dòng)與滾動(dòng)”中的測(cè)量方法。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，讓學(xué)生知曉?xún)煞N摩擦力的測(cè)量方法，盡管在學(xué)生面前沒(méi)有提及“靜摩擦力”“動(dòng)摩擦力”這兩個(gè)概念，但已進(jìn)行無(wú)形滲透，為今后的學(xué)習(xí)起到了鋪墊作用。不足之處在于，這是否能與五年級(jí)學(xué)生的認(rèn)知水平合拍？40分鐘的教學(xué)時(shí)間能否完成這個(gè)容量的教學(xué)任務(wù)？

權(quán)衡利弊之后，一線教師究竟該做如何抉擇？是否還有更恰當(dāng)?shù)牡谒姆N、第五種教學(xué)設(shè)計(jì)？相信這也是一個(gè)見(jiàn)仁見(jiàn)智的問(wèn)題！

（二）測(cè)量條件的控制

關(guān)于摩擦力的測(cè)量，小學(xué)《科學(xué)》教材中還設(shè)置了一個(gè)非常嚴(yán)格的條件：測(cè)量水平方向運(yùn)動(dòng)物體受到的摩擦力。這是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)、生活中分析摩擦力方向是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，而一個(gè)物體在水平方向被勻速拉動(dòng)或有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，它在水平方向只受到拉力和摩擦力，垂直方向只受到重力和支撐面對(duì)它的支持力。此時(shí)，正壓力等于物體受到的重力，即動(dòng)摩擦力與物體的重力成正比。

若物體沿斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)（如圖4），物體對(duì)斜面的正壓力就不是物體的重力，而是物體的重力與cosα的乘積。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算的摩擦力，也可以視作與物體重力有關(guān)。

若物體被手按在垂直的墻面上并做向下滑動(dòng)時(shí)（如圖5），此時(shí)的正壓力就是手對(duì)墻面的壓力F壓，與物體的重力是沒(méi)有任何關(guān)系的。

很明顯，對(duì)后兩種受力的分析遠(yuǎn)高于小學(xué)生的認(rèn)知水平，而用“測(cè)力計(jì)沿水平方向拉物體”測(cè)量摩擦力的方法，則巧妙地規(guī)避了這一難點(diǎn)，符合小學(xué)階段對(duì)摩擦力探究的水準(zhǔn)，即“在水平面上拉動(dòng)物體，物體重，運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力就大;物體輕，運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力就小”。

概而言之，摩擦力的測(cè)量是物理教學(xué)中的經(jīng)典內(nèi)容，教師只有從小學(xué)階段就開(kāi)始給予學(xué)生正確的概念鋪墊和方法指導(dǎo)，才是真正實(shí)現(xiàn)一個(gè)趨向于大概念的學(xué)習(xí)過(guò)程。

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（浙江省杭州市下城區(qū)教師教育學(xué)院? ?310005）