初中物理“摩擦力”的高端備課①

(首都師范大學 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教學的重點和難點.因此，對摩擦力進行深入研究，彰顯其物理本質與教學邏輯，就成為物理高端備課的重要內容.

1 現行教材的邏輯缺陷

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

我們知道，摩擦力包括滑動摩擦力、靜摩擦力和滾動摩擦力，對于后兩種摩擦力，教材中沒有進行任何講解.在實驗環節，教材選用了彈簧測力計進行測量，由于彈簧測力計本身存在測量不夠穩定、數據不易觀察的缺點，不能很好地呈現摩擦力的特點.在探究影響滑動摩擦力大小的因素時，教材只探究接觸面所受壓力和粗糙程度兩個因素，對于其他因素卻避而不談，這不僅給學生帶來學習上的困惑，同時使得探究深度不足.

由于教材對靜摩擦力和滾動摩擦力的忽視，未能呈現給學生完整的知識結構；對實驗探究缺乏深入的挖掘，導致學生不能全面理解摩擦力的本質.對這些問題，結合本節課教學特點，我們進行以下高端備課.

2 彰顯教學邏輯的高端備課

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

圖1

2.1 摩擦力的分類

2.1.1 靜摩擦力

兩個相對靜止的物體間有相對運動趨勢時產生的摩擦力叫做靜摩擦力.由于初二學生的物理認知水平尚處于具體運算階段，其運算離不開具體事物的支持，所以必須通過實驗才能呈現給學生清晰的物理圖像.考慮到摩擦力的大小不易測量，利用轉換法，使物體靜止或者做勻速直線運動，運用二力平衡的知識，通過拉力反映出摩擦力的大小.如前所述，由于彈簧測力計存在諸多不足，因此選用力傳感器來取代彈簧測力計.實驗時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，但計算機屏幕上清晰地呈現出了拉力隨時間的變化關系，也即靜摩擦力隨時間的變化關系(如圖3).

圖3

實驗數據表明，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，木塊將動但未動，這時靜摩擦力達到最大，為9N.之后用手拉木塊在水平桌面做勻速直線運動，木塊與水平桌面間產生的摩擦力是滑動摩擦力.

2.1.2 滑動摩擦力

圖4

當一個物體跟另一個物體有相對滑動時產生的摩擦力叫做滑動摩擦力.在木塊做勻速直線運動階段，滑動摩擦力的大小也是可以測量的(如圖4).實驗數據表明，在4.7～8s，滑動摩擦力的大小為6N.DIS系統能將摩擦力變化過程直觀地以數字化顯示出來，方便學生讀取數據，并為學生呈現了靜摩擦力和滑動摩擦力的變化規律與大小關系，可以清晰地看到滑動摩擦力為6N，小于9N的最大靜摩擦力，兩者并不相等，而且有一個突變，若不用力傳感器是無法測量的.在勻速運動階段，力傳感器也能憑借其精確性測量到滑動摩擦力的大小有微小的浮動，間接反映了接觸面是凸凹不平的，進而從微觀角度闡釋了摩擦力的產生機理，即物體相對運動時，接觸面凹凸部分相互嚙合，便產生了彼此阻礙的摩擦力.

2.1.3 滾動摩擦力

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

2.2 影響滑動摩擦力大小的因素

影響滑動摩擦力大小的因素是本節的重要內容.這部分的教學采用控制變量的科學方法，分別對壓力大小、接觸面粗糙程度和接觸面積的大小進行探究實驗，研究影響滑動摩擦力大小的因素.

2.2.1 壓力對滑動摩擦力的影響

實驗一：用力傳感器勻速拉動木塊，使它在水平桌面上滑動，通過拉力的大小測得滑動摩擦力；在木塊上增放砝碼，再用力傳感器勻速拉動木塊，使它在水平桌面上滑動，通過拉力的大小測得滑動摩擦力.比較加不同砝碼時摩擦力的大小，研究壓力對滑動摩擦力大小的影響.實驗數據表明：接觸面上的壓力越大，滑動摩擦力越大.

2.2.2 粗糙程度對滑動摩擦力的影響

實驗二：使用一個表面較粗糙的木板，用力傳感器勻速拉動木塊，使它在木板上滑動，通過拉力的大小測得滑動摩擦力.比較在不同木板上實驗時摩擦力的大小，研究接觸面的粗糙程度對滑動摩擦力大小的影響.實驗數據表明：接觸面越粗糙，滑動摩擦力越大.

2.2.3 接觸面積對滑動摩擦力的影響

實驗三：用同一木塊的不同側面接觸水平桌面，用力傳感器勻速拉動木塊，使它在水平桌面上滑動，通過拉力的大小測得滑動摩擦力.實驗數據表明：接觸面積的大小對滑動摩擦力沒有影響.這一結果往往與學生的直覺經驗并不一致，因此，教學中應引領學生共同分析.

要解釋這一點，應當把“摩擦力與接觸面積的大小無關”和“摩擦力與壓力的關系”統一起來考慮.也就是說，“摩擦力與接觸面積的大小無關”是在“壓力不變”的情況下說的.由于初中學生的思維往往具有片面的特征，針對接觸面積對滑動摩擦力無影響的結論，如果不通過實驗很難讓他們接受.因此這一教學環節的重點就是，以實驗現象引發學生的認知沖突，進而通過分析，從而達到對摩擦力的本質認識.

2.3 摩擦力的應用

摩擦力的應用體現了知識的應用價值.它不僅是對摩擦力概念的鞏固，又擔負著提高學生知識應用能力的任務，因此教學中應該力爭呈現給學生一些新穎的實例.

2.3.1 減小有害摩擦

摩擦力在很多情況下是有害的，應設法減小.教學中可以向學生介紹磁懸浮列車的工作原理.對于磁懸浮列車，軌道對列車的磁力使之懸浮在空中，行駛時不接觸地面，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.行駛時因為船身升離水面，船體所受到的阻力得到減小.兩個“鮮活”的實例表明：使兩個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，人們常常設法增大它.根據壓力和接觸面粗糙程度對摩擦力的影響，可以實現增大摩擦.如鞋底、輪胎等設計成帶有花紋的表面，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；寫字時用力、自行車剎車時捏緊車閘，通過增大壓力來增大摩擦.

從生活中的實例入手，能夠使學生主動參與到學習中，既做到學以致用，又能牢固地理解知識.

3 教學反思

3.1 強調直觀教學原則

物理教學的直觀性原則要求給學生提供盡可能多的具體形象.傳感器作為物理實驗技術發展的代表，能夠充分調動學生的感官，運用形象化的教學手段揭示物理知識的發生、發展過程，實驗效果直觀、測量精準、并能夠實時記錄，使學生對物理現象的感知也深入得多.將DIS系統引入中學物理實驗的教學中，不僅打破了傳統實驗儀器精密程度不高的瓶頸，提高了實驗教學的效果，而且促使學生了解先進的科學技術.

3.2 重視訓練學生思維

在教學中發展學生的思維能力，始終是教育理論和實踐的一個重要問題.本節教學的探究實驗中，探討接觸面積與滑動摩擦力的大小無關，在教學中大多教師不作介紹.在初中階段，正是學生思維由具體運算階段向形式運算階段過渡的黃金時期，教學中教師尤其應該注意這個特點.針對教學中的難點，教師不應回避，而應通過直觀的現象，將學生思維的片面性展現出來，通過認知沖突引發思考，這樣才能使學生對知識的理解更加透徹，同時達到訓練學生思維的目的.

3.3 注重教學的生態化

物理學是一門應用十分廣泛的基礎科學.在學習如何減小和增大摩擦的過程中，學生實際上就領略了知識的重要價值，不僅實現對知識的牢固掌握，同時還能提高學生的學習興趣.由于現象是物理學的根源，因此摩擦力的應用教學就要為學生列舉生活中的實例，如磁懸浮列車等，通過將先進的科技發明融入到具體的教學情境中，不僅使得教學與生活實際相聯系，而且增加了課堂教學的有效性，并充分發揮了學生的主體作用，這樣的教學關注了學生體驗、感悟和實踐的過程，從而為中學物理教學增添了時代感.

參考文獻：

人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育教科書 物理(八年級下冊).北京：人民教育出版社，2012：23～26.

喬際平，邢紅軍.物理教育心理學.南寧：廣西教育出版社，2002：30.