浅谈如何通过中学物理定义判断静摩擦力的方向

一、摩擦力的相关概念

人教版中学物理教材中明确地说明了摩擦力的定义，即阻碍物体相对运动(或相对运动趋势)的力叫做摩擦力。其方向是与物体相对运动(或相对运动趋势)的方向相反。摩擦力的种类又可以分为静摩擦力、滚动摩擦、滑动摩擦三种。

对于上述的定义，光看字面很容易就能明白，但是运用确是千变万化的，由于摩擦力是物体相对运动而具有的，所以，要先判断运动状况，才能准确地分析摩擦力。

二、不同模型下静摩擦力方向的判断

1、直线运动时静摩擦力的方向

如图1所示，一个物体在粗糙水平面上受到水平向右的拉力F，处于静止状态，可知物体所受的摩擦力为静摩擦力，方向水平向左，这种判断摩擦力方向的方法我们一般称之状态法。

将此时设为A点，若水平面光滑，物体在F作用下经过Δt之后，从A运动到A ，运动趋势为A到A ，摩擦力方向即与其相反，水平向左，大小为F。此种判断方法大部分学生都能实现，也能激发他们学习的兴趣，实现更好的教学效果。

2、由直线模型到斜面模型静摩擦力方向

在固定斜面上的物体受到静摩擦力的模型大体分为两类。

第一是静止在斜面上的物体，如图2所示，仍然将此时设为A点，若斜面光滑，物体在重力的作用下，经过Δt之后，运动到A ，运动趋势为A到A ，摩擦力方向则为A 到A，即沿斜面向上，这种方式比较容易判断。

第二是与斜面传送带一起匀速上升或者下滑，同理，如图3所示，V0为传送带的速度，用上述方法，学生会判断出，物体的运动趋势为A到A ，所以摩擦力方向是沿斜面向上。虽然得出的结论是正确的，但这种方法的分析过程确是存在问题的。

3、由直线模型到曲线模型静摩擦力方向

物体在圆盘上做匀速圆周运动时，也能很容易判断出物体转动时切向速率不变，水平方向仅有静摩擦力。

结合图4可知做匀速圆周运动的物体运动情况的简单分析，设经历很短的时间Δt，运动如图，由于惯性，如果无摩擦，物体经历Δt将由A1运动到A2 ，因为学生在直线运动的部分前概念已经根深蒂固，认为此时相对运动趋势为A1到A2 ，得出静摩擦力方向为A2 A1，而书上的结论又与他们自己的判断相矛盾。

上述这样的结果发现，无论是斜面传送带还是圆盘模型，不少学生都会出现判断的失误，无非是打击了学生的学习兴趣，也会让他们对物理产生恐惧和无助，这时就需要教师准确地找出学生错误所在，趋势的判断都已掌握，主要是在“相对运动”的判断上出现了问题，针对这一情况，进行合理地引导至关重要。

4、准确理解随传送带做匀速上升物体的摩擦力方向

我们仍然让假设接触面完全光滑，如图5所示，物体经过Δt之后从A运动到A ，而传送带的A点将运动到A ，所以，相对运动趋势应为A 到A ，虽然方向相同，却不是A到A ，摩擦力方向仍然为沿斜面向上。

5、准确理解随板做匀速转动物体的摩擦力方向

现对圆板模型进行引导，如图4所示，让学生假设板面光滑，学生可以得出对于Δt时刻，物体将从A1运动到A2 ，而对于圆盘上的A1经历Δt之后，将到达A2，所以他们之间的相对运动趋势应为A2到A2 ，而不同时刻，转动的速度方向都在改变，对于每一个A2、A3、A4……却都有向A2 、A3 、A4 运动的趋势。即随板做匀速转动物体所受静摩擦力方向始终指向圆心，并且提供其做匀速转动的向心力。

此时学生就能明白同样的判断方法，有的正确而有的错误的原因所在，是因为固有的思维把相对运动趋势定义为相对地面运动趋势，一旦参考系发生改变，就会出错。这样不但实现了启发式、引导式教学模式，而且是学生自己通过判断得出的结论，印象更加深刻，增强他们的自信心。

三、静摩擦力在生活中的体现

静摩擦力在生活中无处不在，本着物理源于生活的原则，可以适当地研究简单的生活情景，让学生能够更好地将物理与生活结合。理性分析汽车转弯时，人所受静摩擦力的作用和方向，更加全面地理解静摩擦力。

汽车在转弯时，人会感觉倾斜，自然是由于人具有惯性，还要按照原来汽车的速度前进，但是汽车在转弯的过程中，速度的方向逐渐在变化。对于汽车向左转弯，可以按照图示6，可以看出，人有向右运动的趋势，此时会受到向左的摩擦力。除了看受力之外，我们知道摩擦力的作用点在接触面上，此种情况摩擦力会产生一个转动力矩M，重力和支持力过重心没有力矩产生，力矩M使人向右边倾斜，所以人体双脚并拢站立，在汽车转弯的时候光靠摩擦力是无法平衡的。根据日常经验，人体会将双脚张开，并且有一只脚要“稍微”用力，这又是为什么呢?根据这种情况，画出了第二种受力情况，双脚张开，地面对双脚的支持力分别为N1和N2，由于要人体要平衡，N1和N2的合力矩要与摩擦力矩方向相反，大小相同，则可以判断出N2 N1，产生反向力矩平衡摩擦力力矩，此时人体就可以处于平衡状态。

四、此类模型对静摩擦力教学的反思

静摩擦力方向的判断还有许多模型，在这就不一一列举，通过对三种模型的研究，我对教学的反思大致有以下几点。

1、使学生理解静摩擦力方向判断的本质依据，掌握摩擦力的相关知识。基础的摩擦力定义是基础的，必不可少的，而正确地理解相对运动趋势则是关键。通过三种模型的分析，学生才能明白通过定义来判断平衡状态下物体所受静摩擦力方向无论是直线还是曲线首先都需要确定参考系，不是一味地认为是地面，其次才能判断趋势，进而准确得出静摩擦力方向。

2、丰富了教师关于静摩擦力相关知识的教学方式。教师能够站在学生的立场思考问题，不局限于状态法、假设法判断静摩擦力方向，更加关注于物理的本质，跳出“技巧式”教学，让学生知其然，亦知其所以然。同时，结合物理实验，学生能够达到立体式的学习效果，从现象、模型、本质等有了全方位的理解。

3、培养学生科学思考的能力。以上的过程皆从学生角度出发，学生在课堂上就可以跟随教师一起分析，可以很容易找到自己对知识的困惑，能够及时提出问题，再由教师正确的引导，使物理知识真正内化于心，也养成了学生科学思考的能力，而不是旁听式的只记结论。学会发现问题，分析问题，并总结归纳，在今后的学习和生活中也将能够科学地将物理知识灵活运用。

良好的教学效果不是由教师一人能够实现的，学生才是学习的主体，让学生更切实地感受物理知识的魅力，才能学好物理。实际生活中的静摩擦力往往更加复杂，需要学生有扎实的基础知识，才可以探索生活中物理的奥秘，从而使物理能够回归生活。