楊濤

摘 要： 摩擦力在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，同時作為中學(xué)物理的難點，頻繁出現(xiàn)在中高考試題中.然而學(xué)生對摩擦力，尤其是對摩擦力方向的判斷，時常感到思維模糊、無從下手.本文旨在建立一種“鋸齒模型”來幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解和判斷摩擦力的方向.

關(guān)鍵詞： 物理模型;摩擦力;摩擦力方向

1 明確“問題”關(guān)鍵

摩擦力總是阻礙物體相對運動或阻礙相對運動趨勢，因此摩擦力的方向總是與物體相對運動或相對運動趨勢的方向相反.很顯然，判斷摩擦力方向的關(guān)鍵是要能準(zhǔn)確判斷物體相對運動或相對運動趨勢的方向.然而，在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，區(qū)分“運動方向”與“相對運動方向”“相對運動趨勢的方向”，對于學(xué)生而言，是一個想不通、道不明的難題.

2 把握“相對”實質(zhì)

針對上述問題，首先必須要讓學(xué)生明確摩擦力概念中所謂的“相對運動”或“相對運動趨勢”里的“相對”究竟是誰相對于誰？實際上，不管是何種類型的摩擦力，概念中的“相對”其實都是指：受力物體相對于施力物體.而對于摩擦力的受力物體與施力物體的判斷，尤其是對摩擦力受力物體的判斷，我們常常能在試題的文字描述中，發(fā)現(xiàn)諸如：“此時A受到的摩擦力...”“A對B的摩擦力...”等類似的說法.咬文嚼字后，不難看出“受到”的主語和“對”的對象，其實就是我們所尋求的摩擦力的受力物體.在此基礎(chǔ)上，再針對具體問題，結(jié)合題給信息，判斷出摩擦力的施力物體.

3 構(gòu)建“鋸齒”模型

所謂的“鋸齒模型”，就是在兩物體產(chǎn)生摩擦力的過程中，通過人為設(shè)想或畫示意圖的方法，在受力物體的接觸面上，構(gòu)建鋸齒，使受力物體的接觸面鋸齒化.以人行走為例.在未構(gòu)建“鋸齒模型”之前，人是穿著平底鞋行走的（如圖1（a）所示）;在構(gòu)建了“鋸齒模型”之后，人就好比換上了帶有鞋釘?shù)淖闱蛐ㄈ鐖D1（b）所示）.

人在正常行走，沒有打滑的情況下，腳與地面交替接觸的瞬間，與地面相對靜止如圖2（a）所示.與此同時，腳向后用力.如圖2（b）所示，反應(yīng)在鋸齒模型上，即鋸齒對地面水平向后的作用力f1.而力的作用是相互的，地面同時會給鋸齒一個水平向前的作用力f2.顯然，f2即為地面給鞋的靜摩擦力.此時，它扮演的是動力角色.反之，f1即為鞋給地面的靜摩擦力.

回顧上述分析過程，借助“鋸齒模型”來判斷摩擦力的方向，在一定程度上弱化了對受力物體與施力物體之間相對運動或相對運動趨勢方向的判斷.從而幫助學(xué)生繞開了在分析摩擦力方向問題時，令其思維混亂的環(huán)節(jié).另外，由上述分析可知，地面給鞋的靜摩擦力方向向前，與鞋的運動方向相同，與鞋相對于地面的相對運動趨勢的方向相反.這有力地說明了：（1）靜摩擦力不是只有在物體靜止時才能產(chǎn)生;（2）摩擦力的方向與物體相對運動或相對運動趨勢的方向相反，而與物體本身的運動方向無必然聯(lián)系;（3）少數(shù)教師習(xí)慣性將摩擦力說成“摩擦阻力”，這種表達(dá)，對學(xué)生而言，存在著一定的誤導(dǎo)性.摩擦力不僅能是“摩擦阻力”，也可能是“摩擦動力”.

4 厘清“思維”過程

針對學(xué)生總認(rèn)為“摩擦力的方向與物體運動方向相反”的思維誤區(qū)，應(yīng)用“鋸齒模型”，再對“爬桿問題”“主、從動輪與傳送帶間的摩擦問題”加以闡釋.

例1? （2017·常州） 校運動會爬桿比賽，小明第一個爬到桿頂.如圖3所示，小明緊緊握住桿子保持靜止，此時他受到的摩擦力為f₁;片刻后，小明適度減小握桿子的力量使自己勻速滑下，此時他受到摩擦力為f₂， 則

A.f₁、f₂均豎直向上，且f₁>f₂

B.f₁、f₂均豎直向上，且f₁=f₂

C.f₁豎直向上，f₂豎直向下，且f₁>f₂

D.f₁豎直向上，f₂豎直向下，且f₁=f₂

解析? 為了便于觀察和分析，先對題給實物圖做簡單的模型化處理，如圖4（a）所示.在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用本文所給方法，在受力物體的接觸面構(gòu)建鋸齒模型，如圖4（b）所示.

它直觀地反映出，人無論是“握住桿子保持靜止”還是“向上爬”亦或是“往下滑”，鋸齒都將給桿子一個豎直向下的作用力.而力的作用是相互的，桿同時給人一個豎直向上的作用力.如圖4（c）所示，這二者其實就是人與桿之間的摩擦力.再結(jié)合力與運動的關(guān)系，不難得出正確答案.

例2? 圖5所示為皮帶傳動裝置，當(dāng)機(jī)器正常運轉(zhuǎn)時，關(guān)于主動輪上A點、與主動輪接觸的皮帶上的B點、與從動輪接觸的皮帶上的C點及從動輪上的D點，這四點的摩擦力的方向的描述，正確的是

A.A點受到的摩擦力沿順時針方向

B.B點受到的摩擦力沿順時針方向

C.C點受到的摩擦力沿逆時針方向

D.D點受到的摩擦力沿逆時針方向

解析? 直接構(gòu)建鋸齒模型，如圖6（a）所示.

所謂的主動輪，簡而言之，即帶動皮帶轉(zhuǎn)動的輪子;而從動輪則是由皮帶帶動的輪子.由圖6（b）可知，主動輪一側(cè)，輪子帶動皮帶，故而鋸齒會給皮帶一個逆時針的作用力fB.由力的作用是相互的可知，皮帶同時給鋸齒一個順時針的反作用力fA.而fB即為皮帶上B點所受的摩擦力，fA則為主動輪上A點所受的摩擦力.從動輪一側(cè)摩擦力方向的分析過程，與此類似.

“主、從動輪與傳送帶間的摩擦問題”的另一則典型的變相應(yīng)用是，自行車行駛過程中，判斷前后輪所受靜摩擦力的方向.如無錫市2018年物理中考試題中，就有這樣一道習(xí)題：一位老人騎著一輛自行車，勻速行駛在水平地面上，后輪所受的摩擦力f1，如圖7（a）所示，忽略騎行時的空氣阻力，請在O點畫出前輪所受地面摩擦力f2的示意圖.

經(jīng)思維加工，將前后輪表面鋸齒化.與鏈條相連的后輪是主動輪，前輪是從動輪，而地面則相當(dāng)于傳送帶.作為主動輪的后輪，驅(qū)動著自行車向前行駛.那么，后輪表面的鋸齒將給地面一個向后的作用力.與此同時，地面則會給后輪一個向前的反作用力，此即試題中所謂的摩擦力f1.對于前輪的分析，可直接利用不斷后退的“地面?zhèn)魉蛶А?，帶動前輪鋸齒逆時針轉(zhuǎn)動來理解，因此前輪所受的摩擦力方向向后.當(dāng)然，也可以假設(shè)前輪不轉(zhuǎn)，那么在后輪的驅(qū)動下，自行車向前行駛，前輪鋸齒就會給地面向前的作用力，反過來地面將給前輪向后的反作用力，這就是試題中O點所受地面摩擦力f2的方向，如圖7（b）所示.

5 結(jié)語

建立物理模型是物理學(xué)常用的研究方法之一.它能化抽象為具象，讓復(fù)雜的問題以更為直觀易懂的方式呈現(xiàn)在面前.本文就是通過建立“鋸齒模型”，幫助學(xué)生厘清摩擦力的方向，但它不是解決摩擦力方向問題的萬能鑰匙.在實際應(yīng)用中，還需根據(jù)實際情況，綜合定義法、平衡法以及力與運動的關(guān)系加以判定.

參考文獻(xiàn)：

[1]劉炳昇，李容.蘇科版·物理（八年級下冊）[M].江蘇：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[2]劉炳昇，李容.蘇科版·物理（八年級下冊）（教師教學(xué)用書）[M].江蘇：江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社，2012.