唐琦

摘 要：當(dāng)物體受外力作用，與接觸面保持相對靜止又具有運(yùn)動趨勢時，物體所受靜摩擦力隨著外力的增大而增大。當(dāng)外力增大到最大靜摩擦力時，物體將開始滑動。若物體被墻壁擋住，且逐漸增大對物體的水平推力，則產(chǎn)生3個問題：當(dāng)外力小于最大靜摩擦力時，物體與墻壁之間是否有彈力作用？當(dāng)外力大于最大靜摩擦力并不斷增大時，物體與墻壁之間的彈力如何？當(dāng)外力大于最大靜摩擦力并恒定時，物體與墻壁之間的彈力如何？通過數(shù)字實(shí)驗(yàn)探究并破解以上3個問題。

關(guān)鍵詞：靜摩擦力；實(shí)驗(yàn)探究；破解困惑

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）1-0054-3

1 問題的提出

問題的提出源自一道高一物理靜摩擦力測驗(yàn)題。如圖1所示，質(zhì)量為10 kg的木塊，緊靠豎直墻壁放在水平地面上。已知木塊與水平地面之間的動摩擦因數(shù)為0.5。當(dāng)水平向左施加一個100 N的外力時，假定物體與地面之間的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，取重力加速度g=10 m/s2，則木塊與豎直墻壁之間的彈力為（ ）

A.0 B.50 N C.100 N D.150 N

2 困惑及解惑的轉(zhuǎn)機(jī)

以上試題的答案究竟是選項(xiàng)B還是選項(xiàng)C呢？筆者為此曾經(jīng)困惑了很多年，而且也曾經(jīng)請教過很多同行專家。筆者也曾跟高校的著名教授探討過，特別是得到了廣東第二師范學(xué)院彭哲方教授的指點(diǎn)，他提出了實(shí)驗(yàn)研究的方法和手段。我們知道：靜摩擦力隨著外力的增大而增大，而且當(dāng)物體所受外力增大到最大靜摩擦力時，物體將開始滑動。

但就上面這道測驗(yàn)題，當(dāng)物體被墻壁擋住，用逐漸增大的外力推物體時，分3段進(jìn)行探討，有3個疑問：當(dāng)外力小于最大靜摩擦力時，物體與墻壁之間是否有彈力作用？當(dāng)外力大于最大靜摩擦力并不斷增大時，物體與墻壁之間的彈力如何？當(dāng)外力大于最大靜摩擦力并恒定時，物體與墻壁之間的彈力如何？

2013年11月，筆者有機(jī)會參加了教育部在廣西師范大學(xué)舉辦的一線高中物理骨干教師國家培訓(xùn)。在那里，有許多機(jī)會與全國物理頂尖教授、高中骨干老師以及廣西師大的研究生一起探討物理問題。廣西師大物理探究室是全國領(lǐng)先的探究實(shí)驗(yàn)室之一。筆者同江西南豐的聶老師、廣東翁源的何老師和師大的研究生等一起做了多次實(shí)驗(yàn)，利用高靈敏壓力傳感器，反復(fù)做了關(guān)于靜摩擦力的實(shí)驗(yàn)，并一一進(jìn)行數(shù)字實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和解釋，解決了多年來有關(guān)以上3個問題的困惑。

3 摩擦力產(chǎn)生的原理

摩擦力的產(chǎn)生原因是很復(fù)雜的，應(yīng)該說目前還沒有確切的定論[1]。按照近代物理學(xué)的解釋，產(chǎn)生摩擦力的主要原因有兩種：第一種是凹凸嚙合學(xué)說，認(rèn)為摩擦是由于物體表面粗糙不平產(chǎn)生的。物體表面無論經(jīng)過何種加工，都必然留下或大或小的凹凸。當(dāng)兩個物體接觸時，在接觸面上的凹凸不平部分就互相嚙合，兩個接觸面的凸起部分相碰撞，產(chǎn)生斷裂、摩損，就形成了對相對運(yùn)動的阻礙而引起摩擦力；第二種是分子粘合說，最早由英國學(xué)者德薩左利厄斯于1734年提出，認(rèn)為當(dāng)相互接觸的物體表面的分子之間的距離小到分子引力作用范圍內(nèi)時，在兩個物體緊壓著的接觸面上的分子引力便引起吸附作用，物體表面愈是光滑，摩擦面愈是相互接近，表面分子引力就愈大，這樣摩擦力也就愈大。

從微觀來看，滑動摩擦力與靜止摩擦力的產(chǎn)生機(jī)理有所不同。對于靜摩擦情況，兩個物體互相接觸時，界面上一物體的某些陽離子會和另一物體的電子云接近引起相互作用，就會發(fā)生庫侖力作用。就好像在接觸界面上兩者有保持為一體的趨勢，如果這時存在平行于界面方向的切向力，相互接觸的區(qū)域就會發(fā)生錯位，電子云和陽離子會抵抗重疊面積的減小，就像要把負(fù)電荷從正電荷周圍移走那樣，將導(dǎo)致反向應(yīng)力的產(chǎn)生，也就是一種靜摩擦力。至于滑動摩擦情況，界面上相對運(yùn)動時表面凹凸形變從而引起彈力的產(chǎn)生，而當(dāng)接觸面發(fā)生相對運(yùn)動，庫倉力將消失或變得很小。關(guān)于摩擦的本質(zhì)，還有待于進(jìn)一步研究。

靜摩擦力是存在于兩個相互接觸且有相對運(yùn)動趨勢的物體之間。判斷物體間是否存在靜摩擦力，就要看物體之間是否具備存在靜摩擦力的必要條件：兩物體相互接觸，在外力的作用下相互擠壓發(fā)生形變，具有相對運(yùn)動或相對運(yùn)動的趨勢，接觸面不光滑。只有全部具備了這4個條件才會產(chǎn)生靜摩擦力，反之就沒有靜摩擦力。

教材對靜摩擦力的表述為：當(dāng)物體具有相對滑動趨勢時，物體間產(chǎn)生的摩擦叫做靜摩擦，這時產(chǎn)生的摩擦力叫做靜摩擦力。實(shí)際上，靜摩擦力是當(dāng)相互接觸的兩個物體相對靜止，但是存在著相對運(yùn)動的趨勢時，在接觸面之間會產(chǎn)生一個阻礙相對運(yùn)動趨勢的力。靜摩擦力存在最大值，它等于使物體剛要運(yùn)動所需要的最小外力。靜摩擦力隨著外力的增大而增大，當(dāng)外力增大到使物體剛好開始相對滑動的一瞬間，靜摩擦力增大到了最大值，稱為最大靜摩擦力。最大靜摩擦力與正壓力的大小有關(guān)，其值要略大于滑動摩擦力，人們?yōu)榱擞?jì)算方便就認(rèn)為最大靜摩擦力的大小等于滑動摩擦力的大小。

對于解決本文提出的問題，要點(diǎn)是產(chǎn)生靜摩擦力的一個非常重要的必要條件：兩個物體之間必須存在相對滑動的趨勢，也就是說兩個物體之間如果不存在相對滑動的趨勢，就不可能產(chǎn)生靜摩擦力，或者說，如果兩個物體之間相對滑動的趨勢消失，則靜摩擦力也就立即消失。[2-3]

4 探究實(shí)驗(yàn)及其解釋

4.1 測量木塊的最大靜摩擦力

拆卸力傳感器的掛鉤，作為壓力傳感器使用，右側(cè)用手推傳感器，傳感器受到壓力的作用。如圖2所示，讓木塊離豎直墻壁一定距離，將壓力傳感器與木塊連接，傳感器顯示對木塊的推力。將數(shù)據(jù)線與電腦連接正常，從右向左推木塊，逐漸增大推力，測出木塊剛好開始滑動時的推力，即確定木塊與桌面的最大靜摩擦力。

4.2 推力小于最大靜摩擦力實(shí)驗(yàn)及解釋

首先，對第一個問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。在木塊與墻壁之間放入另一個壓力傳感器（如圖3所示），逐漸增大從右向左的推力，我們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)外力小于最大靜摩擦力時，從右向左推壓力傳感器1時，壓力傳感器1有讀數(shù)，而壓力傳感器2幾乎沒有讀數(shù)。

我們得出結(jié)論：當(dāng)外力小于物體的最大靜摩擦力時，物體與壓力傳感器2之間沒有彈力作用，符合預(yù)期。也就是說，當(dāng)外力小于最大靜摩擦力時，物體具有相對運(yùn)動的趨勢，產(chǎn)生了靜摩擦力。此時，推力和靜摩擦力是一對平衡力，故物體保持靜止，對傳感器2不會產(chǎn)生擠壓，因而物體與壓力傳感器2之間不存在彈力作用。這也是第一個問題的解釋。

4.3 推力大于最大靜摩擦力且不斷增大實(shí)驗(yàn)及解釋

其次，對第二個問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。如圖3所示，從右向左推壓力傳感器1，并且不斷增大推力，當(dāng)推力大于物體與桌面之間的最大靜摩擦力，而且推力還在增大時，我們發(fā)現(xiàn)：壓力傳感器1有讀數(shù)，壓力傳感器2也有讀數(shù)，但是壓力傳感器2的讀數(shù)小于壓力傳感器1的讀數(shù)。我們可以根據(jù)摩擦力產(chǎn)生的條件來解釋這一現(xiàn)象：當(dāng)作用在木塊上的外力大于木塊所受的最大靜摩擦力時，木塊相對地面發(fā)生了相對滑動，只是此時木塊相對地面滑動的位移極其微小，木塊受到的靜摩擦力突變成了滑動摩擦力，阻礙木塊的相對運(yùn)動，所以圖3中的壓力傳感器2的讀數(shù)小于壓力傳感器1的讀數(shù)。

因此，第二個問題的解釋是：當(dāng)外力大于最大靜摩擦力并不斷增大時，物體與墻壁之間有彈力作用，而且彈力隨著外力的增大而增大，但是彈力的大小小于外力。

4.4 推力大于最大靜摩擦力且維持恒定實(shí)驗(yàn)及解釋

最后，對第三個問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。如圖3所示，當(dāng)外力大于最大靜摩擦力并恒定時，物體與墻壁之間的彈力如何？從右向左推壓力傳感器1，這時施加的外力大于最大靜摩擦力，而且保持外力恒定不變。我們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：壓力傳感器1有讀數(shù)，壓力傳感器2也有讀數(shù)，而且壓力傳感器2的讀數(shù)等于壓力傳感器1的讀數(shù)。

我們用靜摩擦力的原理來解釋這一現(xiàn)象，靜摩擦力產(chǎn)生的其中一個必要條件是：兩個物體之間必須存在相對滑動的趨勢，也就是說兩個物體之間如果不存在相對滑動的趨勢，就不可能產(chǎn)生靜摩擦力，或者說，如果兩個物體之間相對滑動的趨勢消失，則靜摩擦力也就立即消失。由于木塊受恒定外力（大于最大靜摩擦力）的作用，而同時木塊又受到了豎直墻壁的阻擋，當(dāng)木塊穩(wěn)定時，木塊不具有相對滑動的趨勢，因而靜摩擦力也就立即消失，木塊在水平方向受到的向左的推力與豎直墻壁對木塊向右的彈力大小相等、方向相反，所以壓力傳感器2的讀數(shù)等于壓力傳感器1的讀數(shù)。

因此，我們對第三個問題的解釋是：當(dāng)外力大于最大靜摩擦力并恒定時，物體與墻壁之間有彈力作用，而且彈力的大小等于作用在物體上的外力的大小。

回到本文開頭提出的問題，這道高一物理關(guān)于靜摩擦力的測驗(yàn)題的正確答案就只能選C，即當(dāng)物體穩(wěn)定時，物體不具有相對滑動的趨勢，不存在靜摩擦力，根據(jù)二力平衡原理，豎直墻壁對物體的彈力等于作用在物體上的外力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉邦貴.靜摩擦力應(yīng)理解為一種彈力[J]. 現(xiàn)代物理知識，2007（2）：52.

[2]孔瑞峰.用“木板刷”演示靜摩擦力[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2001（10）：33—34.

[3]廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)中心物理教材編寫組.物理（必修1）[M].廣州：廣東教育出版社，2011.

（欄目編輯 王柏廬）