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摩擦力的微观机制是什么？为什么摩擦力与物体和支撑面的接触面积无关？在讲滑动摩擦力时，一般认为滑动摩擦力与受力物体相对支撑面的滑动速度没有关系，但有时又说它和相对滑动速度有关，这是怎么回事呢？ 这首先涉及一个模型化的问题。在中学物理课程中一般采用库仑总结出的实验规律（库仑模型）处理问题。库仑模型是大家熟悉的：设FN 是物体受到支撑面施与的正压力，物体受到的静摩擦力Ff0 不大于最大静摩擦力Ff0m，Ff0 ≤ Ff0m ＝μ 0FN，静摩擦因数μ 0 为常量；滑动摩擦力Ff ＝μ FN，滑动摩擦因数μ 亦为常量；且μ 0 > μ 。在库仑模型中摩擦力与物体和支撑面的接触面积无关，滑动摩擦力与受力物体相对支撑面的滑动速度无关。 能提出疑问是件很好的事。读者提出疑问可能是源于以下的实验事实：1. 实验发现，让物体与支撑面间的接触面变得光滑，开始时摩擦力随光滑程度的提高而减小，但当光滑程度非常高时摩擦力反而增大。2. 实验发现，滑动摩擦力与受力物体相对支撑面的滑动速度有关，滑动摩擦力会随相对滑动速度的增大而增大。 关注微观机制是物理学的特点，摩擦力产生的机制复杂且耐人寻味，不同情况的机制可以不同。对于接触面不很光滑的情况，传统的由于接触面不光滑而凹凸互相啮合的机制可能是正确的。当接触面光滑程度非常高时，有一种解释是，这种情况下两个接触面的分子距离很近，分子间的引力是造成摩擦力变大的原因。分子间具有引力和斥力，分子斥力的作用距离和分子的尺度相近，大约是10-10 m ；分子引力的作用距离差不多是分子尺度的5?10倍，大约是10-9 m。接触面光滑程度非常高时，接触面两侧是否能有足够多的分子互相接近到小于10 -9 m的程度，是这种解释正确与否的关键。但是，我一直没看到有说服力的实验证据。 上述两种摩擦力的机制，均不能解释滑动摩擦力与相对滑动速度有关的实验结果。 探求物理现象的机制，是人类探索自然奥秘的一部分，获得对自然现象的完美解释，是人类永恒的追求。“永恒的追求”也就是永远不会完成的追求，已有解释的不完美，正是我们探究的动力。摩擦力产生的机制至今仍在研究之中，似乎还没有一个令人满意的结果。 库仑模型是物理学中众多的理想模型之一，和其他的理想模型一样，是从复杂的实际问题中抽象出来的，简单、实用，对我们认识客观世界有很大帮助，但在不同情况下又与实际情况有或多或少的偏差。 物理学是自然科学，从观察和实验出发，其正确性由实验检验，是密切联系实际的科学。同时，物理学用模型化的方法进行研究，不进行模型化就无法研究实际问题；并且模型化处理使得物理学的研究具有广泛的代表性，并可以明确研究的适用范围。 下面举个例子，一辆汽车在失去动力的情况下在倾斜的、笔直的路面上向下滑动，下滑的加速度有多大？汽车的结构复杂，要特别仔细地研究既不容易、也不必要，所以要进行模型化处理。汽车在整体上不会转动，虽然体积不小，在忽略内部发动机和车轮转动的条件下，可以把汽车视为质点；汽车滑动得不快，可以忽略空气阻力；汽车实际上是靠车轮运动的，但在质点化的情况下，可认为汽车受摩擦阻力。于是我们可以在把汽车视为质点的情况下画出汽车的 受力分析图，如图2.22所示，这样问题就可以解决了。而且，研究图2.22所示的问题，不仅适用于汽车沿斜坡下滑的问题，图2.22 也可以是人踩着滑板沿斜坡滑动，还可以是冰块沿木板的滑动，等等，有广泛的适用性。但是，如果一个篮球沿斜面滚下，虽然篮球比汽车小得多，但整体滚动的篮球不能当成质点，所以这里的讨论不适用于篮球沿斜面滚下的问题。由此可见，物理学中研究“质点沿斜面下滑”的意义广泛，但也有一定的适用范围。 再看一个例子，点电荷是物理学中非常重要的理想模型，点电荷周围的电场强度E＝kQ r2 。有的读者发现当r＝0时电场强度E为无穷大，这是不是有问题呢？其实，这是由于不适当地应用了点电荷这个模型而引起的。实际带电体都是有大小的，如果带电体大小有限，则在离带电体足够远的地方可以把带电体视为点电荷，离带电体近的地方就不能用点电荷这个模型了。因此，点电荷这个模型很好、很重要，但在应用中也得注意它与实际情况有多大的偏差。 在当前的中学物理教学中，联系实际和模型化有时似乎出现了矛盾。为什么本来和谐统一的两个方面会出现问题呢？我以为在中学物理教材中应该特别关注实际问题的模型化，即如何从实际问题中抽象出模型来进行研究，使学生能体会模型化研究的价值和特点；教师在教学中也应该对模型化的研究方法做足够的讲解。 欢迎转载,并请关注“管窥物理”微信公众号： 长按二维码，自动识别，添加关注。 |
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