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摘  要：在教学当中将培养学生核心素养作为主旨来构建课堂成为当下初中物理课堂构建的重点。从教师角度出发，想要在课堂中实现培养学生核心素养的目的，教师需要在理解教材的基础上对所讲述的内容进一步深入探索。以摩擦力为例，苏科版的八年级下册物理教材第八章对力进行了探究，其中对重力以及弹力的产生原因与影响因素都进行了介绍，但对摩擦力的成因却并未提及，为了对该内容进行深入剖析，笔者分别对滑动摩擦力、静摩擦力以及滚动摩擦力的内在机制进行探索并利用数学手段对滚动摩擦力的成因及计算进行论证，希望可以为广大一线物理教师在构建核心素养培养型课堂提供相关的教学思路与灵感。

关键词：核心素养；初中物理教学；摩擦力成因

1 核心素养

初中物理的核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度，它是学生在多学科和领域中通过学习、实践和经验积累形成的基本素养。初中物理的核心素养强调了学生学习专业知识之外培养综合素质的必要性，这对初中物理教师的教学能力与知识储备都提出了更高的要求，而不仅仅局限于教材中所描述的知识点。以摩擦力为例，在苏科版八年级下册的物理教材当中，对生活当中常见的弹力、重力以及摩擦力进行了探究[1]，对于弹力，其产生的本质是物体发生弹性形变后由于试图恢复原先的形状而对与其相接触的物体产生力的作用；对于重力而言，其产生的本质是万有引力的一个分力，由于地球在不断地自转当中，除了两极点之外，地球表面的物体都在做匀速圆周运动，因而地球对其表面物体的万有引力的一部分提供了向心力，另一部分的作用便体现为了重力。但对于摩擦力，教材当中仅对其分类与影响因素进行了探究，并未介绍不同种类摩擦力的成因，因此笔者结合文献资料对摩擦力本质进行了探究与总结，希望可以为一线物理教师在初中教学当中提供启发，能够更好的在教学中拓展思路。

2 摩擦力的成因

2.1 滑动摩擦力

凹凸啮合说

在15世纪至18世纪，科学家们提出的一种关于摩擦力本质的理论。当时的主流理论认为摩擦是由相互接触的物体表面粗糙不平产生的。当表面粗糙不平的两个物体接触并挤压时，接触面上很多凹凸部分就可能会相互啮合。此时如果一个物体沿接触面产生相对滑动，那么两个接触面的凸起部分就会相互碰撞，形成对运动的阻碍。凹凸啮合说对一些简单滑动摩擦现象而言可以做出近似的说明，但对于金属等材料的滑动摩擦力成因，解释起来就有所不足。

粘附说

18世纪30年代，英国物理学家左力厄斯提出了一种新的思路：产生摩擦的根本原因可能在分子尺度以内，其本质在于接触面间存在的分子力作用，尤其对于非常光滑的金属表面，接触面的紧密程度极强，那么根据分子动理论，分子间产生力的作用的影响效果就越明显，体现于宏观上就展示为滑动摩擦力的增强，他的理论与某些摩擦实验符合度较高，在当时有着较为广泛的影响。

摩擦粘附说

在20世纪时，随着工业与材料的蓬勃发展以及学者们对摩擦力的进一步研究，新的摩擦粘附说应运而生。新的理论认为，即使相接触的两个表面做的再光滑，从分子角度考虑仍会有微凸起的点，让这样的表面相互接触，那么微凸起的点紧密接触，而凸起点之外的间距可能会达到10nm甚至更高的量级，在这种情况下，凸起点的顶部将会承担所有接触面产生的弹力，主要表现为压力。若此压力值较小，不超过材料的弹性限度，那么材料的凸起点将发生弹性形变，对与其相互接触的材料产生相互作用的反压力；若压力值超过材料的弹性限度，将使材料的微凸点发生塑性形变，被压迫形变为更为光滑的平顶状态，那么此时材料相接触面之间的间距就有可能缩小进入范德华力的作用范围，即原子性粘合，此时若要使材料发生相对滑动，必须要沿着切线方向向材料施加外力来克服范德华力的作用，这就产生了滑动摩擦力。

值得一提的是，直至今日，人们通过长期对摩擦力的实验与理论探究，发现上述滑动摩擦力成因理论都有其合理之处，但各自偏向的解释范围有所不同，对于木质材料，其滑动摩擦力成因更符合凹凸啮合说，但对于金属材料而言，其产生的摩擦更符合摩擦粘附理论。综合来看，摩擦粘附理论传播影响力更大，也更合理。但时至今日一个统一的摩擦力成因理论仍在研究当中，但根据粘附理论，摩擦现象的机理需要在分子尺度内才能较好的阐述，而分子力属于电磁相互作用的范围，因此摩擦力在微观上应当也是电子相互作用的研究范围[2]。

2.2静摩擦力

静摩擦力是另一种摩擦力，可以防止两个物体在接触和静止时相互滑动。简单来说它是由于物体表面的微观不规则性而发生的，这些不规则性相互交织并产生运动阻力。静摩擦的大小取决于表面的性质和将它们压在一起的力。它的最大值通常大于滑动摩擦力，滑动摩擦力是反对两个物体相互滑动的力。了解静摩擦在物理学、工程学和日常生活等各个领域都至关重要，因为它可以帮助我们分析和预测静止物体的行为。

一般而言，静摩擦力的大小，其中表示静摩擦力，是静摩擦系数，是一个无量纲的常数，由材料本身决定，N是法向力，当外力的切向分力小于静摩擦力的最大值，此时物体仍可保持静止，且静摩擦力与外力的切向分力成正相关，但当外力的切向分力超过静摩擦力的最大值，则物体产生相对滑动，静摩擦力将转变为滑动摩擦力。

目前的理论认为静摩擦力的成因与牛顿第一定律即惯性定律有关。惯性定律指出，一切物体在没有受到力的作用时，具有保持其原先的运动状态不改变的性质，考虑一个最简单的模型，一个静止在水平面上的物体，由于受到自身重力以及水平面的支持力且二力平衡，此时可以保持静止状态，此时突然对该物体施加一个水平方向的力，由于惯性，当推动该物体时其具有保持原先静止状态的性质，因此产生了对外力的阻碍作用，能够维持原先静止状态的最大力即为静摩擦力的最大值。值得注意的是，同样由于惯性，当外力逐步增加到等于滑动摩擦力时此时物体仍处于平衡状态，仍可保持原先的静止状态不变，因此若需要物体产生相对滑动，需要进一步增大水平的外力方可打破这种平衡使其开始滑动，因此静摩擦力的最大值实际略大于滑动摩擦力，但二者差距并不大，因此在教学时可不必过于强调二者间的区别。

2.3滚动摩擦力

八年级下册的苏科版物理教材中描述到“可以采用变滑动为滚动的方式减小物体间的摩擦”，师生在接触到这个观点时也会默认滚动摩擦力要小于滑动摩擦力，但为何如此？若要深入解释该问题，还要对滚动摩擦的成因进行深度理解。

滚动摩擦是一个物体在另一物体上滚动或有滚动趋势时，接触面处会产生不对称的形变，造成阻碍滚动的作用。

考虑一个简单的滚动模型，小球质量分布均匀且球心为O，即重心位于O点。当小球保持静止且无相对滚动趋势，此时小球与地面的形变对称，地面对小球的支持力将过球心，小球将保持平衡状态。但当小球受到外力作用具有滚动趋势时，情况将发生改变，设此时小球受到向下的负荷力为W，受到水平向右的力F，G为小球自身重力，此时地面对小球支持力的作用点将前移，设R为地面对小球的作用力，R的水平分力与竖直分力分别为f和N，此时f即可看作阻碍小球发生相对滑动的摩擦力。

为了更详细的描述滚动过程中力的变化情况，需引入力偶的概念，即作用于同一刚体上一对大小相等、方向相反但并不作用于同一直线的一对平行力称之为力偶，力偶可以使刚体产生转动效应。因此在水平方向上可以发现F与f组成一对力偶，效果是使小球产生向前的滚动，因此，地面在阻碍小球向前滚动的同时，又促使小球向前滚动。在竖直方向上，W+G与地面对小球作用力R的竖直方向的分力N也构成一对力偶，这对力偶与水平方向上的力偶相互平衡，起到了阻止滚动发生的效果，被称为滚动静摩擦力偶。

逐渐增大水平拉力F，来自地面反作用力的水平分力f也会逐渐增大，那么向前滚动的力偶矩增大。但与此同时，R的作用点将会进一步前移，导致N与W+G之间的距离也在增大，阻碍滚动的作用也会增加，此时小球仍然可以保持静止。但R的作用点前移的范围是有限制的，当向前滚动的力偶完全压制滚动摩擦力偶，此时将会产生滚动。

通过上述分析我们能够发现，在小球与地面保持相对静止时，若小球受到外力的作用而产生了一个相对滚动的趋势，此时地面将会对其产生一个阻碍其相对滚动的力偶，可以将其称为滚动静摩擦力偶，其力偶矩的大小在一定范围内可以与外力矩保持同步增长，但有最大值，称为最大滚动静摩擦力偶矩，与静摩擦力类似，静摩擦力偶矩，其中N为正压力，称为滚动静摩擦因数，是一个无量纲常数，与接触面材料有关。

当外力偶矩大于最大静摩擦力偶矩时，将会接触面将会产生相对滚动，此时将会产生滚动摩擦力偶，该力偶矩起到了阻碍相对滚动的作用，其方向与相对滚动的角速度方向相反，当外力矩为0时，该力偶矩将会使滚动角速度逐渐减小为0，滚动摩擦力偶矩，其中为滚动摩擦因数，与滚动速度以及接触面材料有关。教材上所介绍的可以通过变滑动为滚动的方式来减小摩擦力，实质上是因为滚动摩擦因数远小于滑动摩擦因数，因此在机械当中大量使用了滚珠轴承来减小摩擦[3]。

5 结语

一些材料当中也将固体与固体之间的摩擦统称为干摩擦，将固体与液体、气体之间的摩擦称为湿摩擦，一般来说湿摩擦力在相同情况下要小于干摩擦力，气垫船与溜冰鞋即利用了类似的原理来减小摩擦。本文详细介绍了干摩擦当中滑动摩擦力、静摩擦力以及滚动摩擦力的成因，并结合数学手段对滑动摩擦力的成因及大小进行了具体的计算与论证。由于对摩擦力成因的解释超出了初中生的认知范围，因此该知识未在教材上进行体现，但作为一线教师，对知识点的挖掘与深入探索是当今核心素养视角下初中物理课堂构建的先决条件[4]。初中阶段关于摩擦力的内容中对摩擦力的成因及计算并未提出明确要求，但对相关内容进行补充拓展，结合数学知识对物理内容进行思考是一种重要的研究学习手段，可以极大的锻炼学生的思维深度与广度，培养他们在各项领域中应用知识的能力，关于摩擦力成因的解释不仅能够帮助学生深入理解摩擦力的本质，也为其在高中物理更为复杂深入的学习中打下基础。

参考文献

[1]刘炳昇，李荣. 八年级下册物理[M]. 江苏：江苏凤凰科学技术出版社，2012.

[2]李晓焱，罗春梅，尤凤翔.摩擦理论与摩擦系数[D].丹东纺专学报， 1997-08-15.

[3]王海军. 对滚动摩擦力的深入思考[J]. 物理教学探讨，2015，（478）：33.

[4]王蕊芬.核心素养背景下初中物理教学情境的创设的思考[J].教育理论与实践，2024，44：53-56.

作者简介：杨磊，男，1996年6月出生，理学硕士学位，目前于江苏省常州市从事中学物理教学工作，研究方向为课程教学研究。

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