姚遠(yuǎn)　周文

摘 要 靜摩擦力的大小是高中階段看似簡(jiǎn)單，實(shí)則復(fù)雜的問題，是解決重疊物體臨界問題的基礎(chǔ)，只有清楚靜摩擦力的變化，才能清楚重疊物體問題中靜摩擦力和最大靜摩擦力的關(guān)系。本節(jié)課旨在通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生更直觀地感受靜摩擦力大小的變化，同時(shí)滲透科學(xué)思維方法、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞 靜摩擦力的大小 實(shí)驗(yàn) 科學(xué)思維 科學(xué)探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

靜摩擦力是“摩擦力”一節(jié)中的前面一部分，學(xué)生在初中已經(jīng)有了對(duì)摩擦力的部分認(rèn)識(shí)，但卻沒有學(xué)習(xí)過靜摩擦力。而靜摩擦力大小的判斷又是高考?？嫉膬?nèi)容，特別是在重疊物體問題中需要比較靜摩擦力和最大靜摩擦力來判斷靜摩擦力的大小，這對(duì)學(xué)生的知識(shí)把控和科學(xué)推理能力都有較高的要求。靜摩擦力屬于被動(dòng)力，它由物體所受到的其他力以及物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定，因此，在教學(xué)中可以通過觀察外力的變化間接反映靜摩擦力大小的變化。

1 實(shí)驗(yàn)器材及組裝

木架或鐵架臺(tái)，圓柱形塑料水杯，水，橡皮筋，木桿兩根。木架兩邊各一個(gè)十字架，固定在底座上，兩根桿兩端分別用橡皮筋相連（如圖1）并放置在十字架上。

2 實(shí)驗(yàn)過程

（1）將水杯夾在兩根桿之間，橡皮筋處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，由于水杯形狀固定，故桿對(duì)水杯壓力大小不變。此時(shí)水杯靜止，即水杯兩側(cè)所受靜摩擦力的合力（以下簡(jiǎn)稱水杯所受靜摩擦力）大小與水杯所受重力大小相等。

（2）向杯中加入一定量的水后（加水過程可利用虹吸裝置均勻、緩慢加水），水杯未動(dòng)，此時(shí)水杯所受靜摩擦力的大小等于水杯與水所受重力之和。

（3）繼續(xù)加水，水杯仍然處于靜止?fàn)顟B(tài)，受力依然平衡，但隨著外力的增加，間接反映了靜摩擦力大小的增加，靜摩擦力的大小是否會(huì)隨著外力的增大無限增大呢？

（4）持續(xù)加水直至水杯掉落，掉落瞬間水杯所受的靜摩擦力的大小達(dá)到最大值?？沙醪降贸鼋Y(jié)論，在豎直方向上，物體所受靜摩擦力的大小隨外力的增大而增大，但不會(huì)無限增大，而是達(dá)到一個(gè)最大值。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

從實(shí)驗(yàn)中不難看出，該實(shí)驗(yàn)還可以用以判定靜摩擦力產(chǎn)生的條件以及探究靜摩擦力的方向，不僅如此，實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了使水杯靜止的力不是甘對(duì)它的壓力，而是靜摩擦力。

4 水平方向探究靜摩擦力的大小

前一實(shí)驗(yàn)只是在豎直方向得到了初步結(jié)論，靜摩擦力的大小有一個(gè)最大值，即最大靜摩擦力，水平方向是否滿足？靜摩擦力的大小又如何變化？這一探究可利用DIS實(shí)驗(yàn)完成。

4.1 實(shí)驗(yàn)儀器及組裝

摩擦力試驗(yàn)器，力傳感器，數(shù)據(jù)采集器，細(xì)線等。

導(dǎo)軌上放一塊板，板上放置一個(gè)重物，重物的左端用一根不可伸長(zhǎng)的繩子連接在力傳感器上，傳感器固定在軌道上，如果給板施加一個(gè)向右的力而不拉動(dòng)，板相對(duì)于重物就有向右的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，反之，滑塊就有相對(duì)于板向左的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，也就是說，重物受到一個(gè)向右的靜摩擦力，考慮到學(xué)生尚未學(xué)習(xí)作用力與反作用力，此處利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

重物又和左端的力傳感器連接，所以重物的左端還受到傳感器的拉力，當(dāng)重物和板沒有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，拉力和靜摩擦力就是一對(duì)平衡力，即可以用力傳感器上拉力大小的變化來表示靜摩擦力大小的變化。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

調(diào)試實(shí)驗(yàn)儀器，在電腦上建立力隨時(shí)間變化的坐標(biāo)，從而看到力隨時(shí)間變化的圖像，針對(duì)板所受到的拉力（外力），筆者設(shè)計(jì)了三種實(shí)驗(yàn)方案以供參考。

（1）注重學(xué)生體驗(yàn)的設(shè)計(jì)。請(qǐng)一位學(xué)生上臺(tái)，對(duì)板施加一個(gè)逐漸增大的力的作用，隨著學(xué)生的拉力緩慢增加，可以在屏幕上看到反映靜摩擦力大小的圖像變化，可以看出靜摩擦力從0增加至最大靜摩擦力后突然減小。

（2）注重圖像直觀的設(shè)計(jì)?？稍诎宓挠叶送瑯釉黾右粋€(gè)力傳感器，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，施加一個(gè)逐漸增大的力的作用，在屏幕上可以看到拉力隨時(shí)間變化的圖像以及反映靜摩擦力大小的圖像。但是由于板不僅受到重物對(duì)它的靜摩擦力，還受到導(dǎo)軌對(duì)它的靜摩擦力，因此兩圖像不重合。

（3）注重實(shí)驗(yàn)直觀的設(shè)計(jì)?？稍趯?dǎo)軌右端增加一定滑輪，板的右端通過細(xì)線跨過定滑輪連接一輕質(zhì)的容器，通過虹吸裝置向容器中緩慢注水，可使對(duì)板的拉力逐漸增大。這一設(shè)計(jì)理論上可行，但對(duì)重物與板之間的接觸面的粗糙程度以及虹吸裝置中U形管的橫截面積都有嚴(yán)格要求，因此在實(shí)際教學(xué)中需特別注意。

4.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)一方面得出水平方向靜摩擦力大小的變化，從而得出靜摩擦力大小的變化范圍。另一方面，通過對(duì)圖像的觀察，可以發(fā)現(xiàn)靜摩擦力達(dá)到最大值后突然減小，之后保持不變，替代了利用彈簧測(cè)力計(jì)探究最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系這一實(shí)驗(yàn)，起到一個(gè)橋梁的作用。不僅如此，利用DIS輔助教學(xué)，既增加了課堂的趣味，有加深了學(xué)生對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)。

5 總結(jié)

通過從豎直方向和水平方向?qū)o摩擦力的大小進(jìn)行探究，探究過程符合學(xué)生的心理認(rèn)知規(guī)律，既突出了學(xué)生的主體地位，又培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維以及科學(xué)探究能力，達(dá)到了培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目的，實(shí)驗(yàn)得可操作性強(qiáng)，但細(xì)微之處還需持續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃瑩.一個(gè)判定靜摩擦力的定性實(shí)驗(yàn)[J].物理通報(bào)，2003.

[2] 包慧軍.基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)——以摩擦力教學(xué)為例[J].物理教學(xué)探討，2018.