(首都師范大學(xué) 物理系，北京 100048)

摩擦力是初中物理較難掌握的概念之一，一直以來都是傳統(tǒng)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn).因此，對(duì)摩擦力進(jìn)行深入研究，彰顯其物理本質(zhì)與教學(xué)邏輯，就成為物理高端備課的重要內(nèi)容.

1 現(xiàn)行教材的邏輯缺陷

人教版初中物理教材中首先給出滑動(dòng)摩擦力的定義，然后通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，研究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素.再圍繞摩擦的利用與防止展開.這種方式體現(xiàn)了教材“突出重點(diǎn)”、力求“邏輯輕快”的教學(xué)思想.然而這種處理方式也存在諸多缺憾.

我們知道，摩擦力包括滑動(dòng)摩擦力、靜摩擦力和滾動(dòng)摩擦力，對(duì)于后兩種摩擦力，教材中沒有進(jìn)行任何講解.在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教材選用了彈簧測力計(jì)進(jìn)行測量，由于彈簧測力計(jì)本身存在測量不夠穩(wěn)定、數(shù)據(jù)不易觀察的缺點(diǎn)，不能很好地呈現(xiàn)摩擦力的特點(diǎn).在探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素時(shí)，教材只探究接觸面所受壓力和粗糙程度兩個(gè)因素，對(duì)于其他因素卻避而不談，這不僅給學(xué)生帶來學(xué)習(xí)上的困惑，同時(shí)使得探究深度不足.

由于教材對(duì)靜摩擦力和滾動(dòng)摩擦力的忽視，未能呈現(xiàn)給學(xué)生完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)；對(duì)實(shí)驗(yàn)探究缺乏深入的挖掘，導(dǎo)致學(xué)生不能全面理解摩擦力的本質(zhì).對(duì)這些問題，結(jié)合本節(jié)課教學(xué)特點(diǎn)，我們進(jìn)行以下高端備課.

2 彰顯教學(xué)邏輯的高端備課

基于上述分析，我們將摩擦力的教學(xué)分為三個(gè)部分：摩擦力的分類、影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素和摩擦力的應(yīng)用(如圖1).

圖1

2.1 摩擦力的分類

2.1.1 靜摩擦力

兩個(gè)相對(duì)靜止的物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí)產(chǎn)生的摩擦力叫做靜摩擦力.由于初二學(xué)生的物理認(rèn)知水平尚處于具體運(yùn)算階段，其運(yùn)算離不開具體事物的支持，所以必須通過實(shí)驗(yàn)才能呈現(xiàn)給學(xué)生清晰的物理圖像.考慮到摩擦力的大小不易測量，利用轉(zhuǎn)換法，使物體靜止或者做勻速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用二力平衡的知識(shí)，通過拉力反映出摩擦力的大小.如前所述，由于彈簧測力計(jì)存在諸多不足，因此選用力傳感器來取代彈簧測力計(jì).實(shí)驗(yàn)時(shí)木塊靜置于水平桌面，將力傳感器一端與木塊相連，另一端用手拉力傳感器(如圖2).

圖2

開始用很小的力拉，逐漸增加拉力的大小，木塊雖然未動(dòng)，但計(jì)算機(jī)屏幕上清晰地呈現(xiàn)出了拉力隨時(shí)間的變化關(guān)系，也即靜摩擦力隨時(shí)間的變化關(guān)系(如圖3).

圖3

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在1.5～4.7s，隨著拉力的增大，靜摩擦力從0N不斷增大；在4.7s時(shí)，木塊將動(dòng)但未動(dòng)，這時(shí)靜摩擦力達(dá)到最大，為9N.之后用手拉木塊在水平桌面做勻速直線運(yùn)動(dòng)，木塊與水平桌面間產(chǎn)生的摩擦力是滑動(dòng)摩擦力.

2.1.2 滑動(dòng)摩擦力

圖4

當(dāng)一個(gè)物體跟另一個(gè)物體有相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力叫做滑動(dòng)摩擦力.在木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)階段，滑動(dòng)摩擦力的大小也是可以測量的(如圖4).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在4.7～8s，滑動(dòng)摩擦力的大小為6N.DIS系統(tǒng)能將摩擦力變化過程直觀地以數(shù)字化顯示出來，方便學(xué)生讀取數(shù)據(jù)，并為學(xué)生呈現(xiàn)了靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的變化規(guī)律與大小關(guān)系，可以清晰地看到滑動(dòng)摩擦力為6N，小于9N的最大靜摩擦力，兩者并不相等，而且有一個(gè)突變，若不用力傳感器是無法測量的.在勻速運(yùn)動(dòng)階段，力傳感器也能憑借其精確性測量到滑動(dòng)摩擦力的大小有微小的浮動(dòng)，間接反映了接觸面是凸凹不平的，進(jìn)而從微觀角度闡釋了摩擦力的產(chǎn)生機(jī)理，即物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸面凹凸部分相互嚙合，便產(chǎn)生了彼此阻礙的摩擦力.

2.1.3 滾動(dòng)摩擦力

一個(gè)物體在另一個(gè)物體上滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力叫做滾動(dòng)摩擦力.滾動(dòng)摩擦力比滑動(dòng)摩擦力要小得多.例如滑旱冰時(shí)，旱冰鞋與地面間產(chǎn)生的摩擦力就是滾動(dòng)摩擦力，由于受到較小的滾動(dòng)摩擦力，所以人能在地面上快速滑行.

2.2 影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素

影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素是本節(jié)的重要內(nèi)容.這部分的教學(xué)采用控制變量的科學(xué)方法，分別對(duì)壓力大小、接觸面粗糙程度和接觸面積的大小進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，研究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素.

2.2.1 壓力對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響

實(shí)驗(yàn)一：用力傳感器勻速拉動(dòng)木塊，使它在水平桌面上滑動(dòng)，通過拉力的大小測得滑動(dòng)摩擦力；在木塊上增放砝碼，再用力傳感器勻速拉動(dòng)木塊，使它在水平桌面上滑動(dòng)，通過拉力的大小測得滑動(dòng)摩擦力.比較加不同砝碼時(shí)摩擦力的大小，研究壓力對(duì)滑動(dòng)摩擦力大小的影響.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：接觸面上的壓力越大，滑動(dòng)摩擦力越大.

2.2.2 粗糙程度對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響

實(shí)驗(yàn)二：使用一個(gè)表面較粗糙的木板，用力傳感器勻速拉動(dòng)木塊，使它在木板上滑動(dòng)，通過拉力的大小測得滑動(dòng)摩擦力.比較在不同木板上實(shí)驗(yàn)時(shí)摩擦力的大小，研究接觸面的粗糙程度對(duì)滑動(dòng)摩擦力大小的影響.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：接觸面越粗糙，滑動(dòng)摩擦力越大.

2.2.3 接觸面積對(duì)滑動(dòng)摩擦力的影響

實(shí)驗(yàn)三：用同一木塊的不同側(cè)面接觸水平桌面，用力傳感器勻速拉動(dòng)木塊，使它在水平桌面上滑動(dòng)，通過拉力的大小測得滑動(dòng)摩擦力.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：接觸面積的大小對(duì)滑動(dòng)摩擦力沒有影響.這一結(jié)果往往與學(xué)生的直覺經(jīng)驗(yàn)并不一致，因此，教學(xué)中應(yīng)引領(lǐng)學(xué)生共同分析.

要解釋這一點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)把“摩擦力與接觸面積的大小無關(guān)”和“摩擦力與壓力的關(guān)系”統(tǒng)一起來考慮.也就是說，“摩擦力與接觸面積的大小無關(guān)”是在“壓力不變”的情況下說的.由于初中學(xué)生的思維往往具有片面的特征，針對(duì)接觸面積對(duì)滑動(dòng)摩擦力無影響的結(jié)論，如果不通過實(shí)驗(yàn)很難讓他們接受.因此這一教學(xué)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)就是，以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，進(jìn)而通過分析，從而達(dá)到對(duì)摩擦力的本質(zhì)認(rèn)識(shí).

2.3 摩擦力的應(yīng)用

摩擦力的應(yīng)用體現(xiàn)了知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值.它不僅是對(duì)摩擦力概念的鞏固，又擔(dān)負(fù)著提高學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力的任務(wù)，因此教學(xué)中應(yīng)該力爭呈現(xiàn)給學(xué)生一些新穎的實(shí)例.

2.3.1 減小有害摩擦

摩擦力在很多情況下是有害的，應(yīng)設(shè)法減小.教學(xué)中可以向?qū)W生介紹磁懸浮列車的工作原理.對(duì)于磁懸浮列車，軌道對(duì)列車的磁力使之懸浮在空中，行駛時(shí)不接觸地面，只受到空氣阻力作用.具有相似原理的還有氣墊船，它是一種以空氣在船只底部襯墊承托的氣墊交通工具.行駛時(shí)因?yàn)榇砩x水面，船體所受到的阻力得到減小.兩個(gè)“鮮活”的實(shí)例表明：使兩個(gè)相互接觸的表面隔開，也能減小摩擦.

2.2 增大有益摩擦

許多情況下摩擦又是有益的，人們常常設(shè)法增大它.根據(jù)壓力和接觸面粗糙程度對(duì)摩擦力的影響，可以實(shí)現(xiàn)增大摩擦.如鞋底、輪胎等設(shè)計(jì)成帶有花紋的表面，下雪天汽車輪胎加掛防滑鐵鏈，通過增大接觸面的粗糙程度來增大摩擦；寫字時(shí)用力、自行車剎車時(shí)捏緊車閘，通過增大壓力來增大摩擦.

從生活中的實(shí)例入手，能夠使學(xué)生主動(dòng)參與到學(xué)習(xí)中，既做到學(xué)以致用，又能牢固地理解知識(shí).

3 教學(xué)反思

3.1 強(qiáng)調(diào)直觀教學(xué)原則

物理教學(xué)的直觀性原則要求給學(xué)生提供盡可能多的具體形象.傳感器作為物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的代表，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的感官，運(yùn)用形象化的教學(xué)手段揭示物理知識(shí)的發(fā)生、發(fā)展過程，實(shí)驗(yàn)效果直觀、測量精準(zhǔn)、并能夠?qū)崟r(shí)記錄，使學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的感知也深入得多.將DIS系統(tǒng)引入中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，不僅打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器精密程度不高的瓶頸，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，而且促使學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù).

3.2 重視訓(xùn)練學(xué)生思維

在教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的思維能力，始終是教育理論和實(shí)踐的一個(gè)重要問題.本節(jié)教學(xué)的探究實(shí)驗(yàn)中，探討接觸面積與滑動(dòng)摩擦力的大小無關(guān)，在教學(xué)中大多教師不作介紹.在初中階段，正是學(xué)生思維由具體運(yùn)算階段向形式運(yùn)算階段過渡的黃金時(shí)期，教學(xué)中教師尤其應(yīng)該注意這個(gè)特點(diǎn).針對(duì)教學(xué)中的難點(diǎn)，教師不應(yīng)回避，而應(yīng)通過直觀的現(xiàn)象，將學(xué)生思維的片面性展現(xiàn)出來，通過認(rèn)知沖突引發(fā)思考，這樣才能使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加透徹，同時(shí)達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生思維的目的.

3.3 注重教學(xué)的生態(tài)化

物理學(xué)是一門應(yīng)用十分廣泛的基礎(chǔ)科學(xué).在學(xué)習(xí)如何減小和增大摩擦的過程中，學(xué)生實(shí)際上就領(lǐng)略了知識(shí)的重要價(jià)值，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的牢固掌握，同時(shí)還能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.由于現(xiàn)象是物理學(xué)的根源，因此摩擦力的應(yīng)用教學(xué)就要為學(xué)生列舉生活中的實(shí)例，如磁懸浮列車等，通過將先進(jìn)的科技發(fā)明融入到具體的教學(xué)情境中，不僅使得教學(xué)與生活實(shí)際相聯(lián)系，而且增加了課堂教學(xué)的有效性，并充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，這樣的教學(xué)關(guān)注了學(xué)生體驗(yàn)、感悟和實(shí)踐的過程，從而為中學(xué)物理教學(xué)增添了時(shí)代感.

參考文獻(xiàn)：

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