對人教版物理教材“靜摩擦力”的重構

董友軍+蔡冬陽

摘 要：針對教材中“靜摩擦力”的內容存在著邏輯不足的問題，教師應該從高端備課的角度，優化教學流程，突顯科學方法，重視實驗探究，關注知識應用，提倡動手制作，對“靜摩擦力”的內容進行符合物理教學規律、適合學生認知規律、適應高考試題特點、強化學生動手能力的構建.

關鍵詞：靜摩擦力；高端備課；實驗探究

靜摩擦力，是現實生活中最常見的力，也是高考試題中最常考的力. 用實驗探究靜摩擦力的規律，是物理教學的基本思路，也是物理研究的常用方法. 筆者對人教版物理教材中有關靜摩擦力的內容，應用高端備課的視點進行重構，以期優化教學過程，提高教學效率.

一、教材分析

人民教育出版社2010年4月第3版物理必修1第三章第3節為摩擦力，是本章教學重點，也是本章教學難點. 人教版教師用書把本節內容課時設置為3節，靜摩擦力應該為其中1節課時. 教材首先給出摩擦力的定義：兩個相互接觸的物體，當它們發生相對運動或具有相對運動的趨勢時，就會在接觸面上產生阻礙相對運動或相對運動趨勢的力，這種力叫做摩擦力.再用圖1小孩推箱子的圖片，引導學生去體驗：箱子沒有推動，箱子與地面仍然保持相對靜止，但箱子有相對地面運動的趨勢，從而得出靜摩擦力的概念：由于這時兩個物體之間只有相對運動的趨勢，而沒有相對運動，所以這時的摩擦力叫做靜摩擦力. 隨后直接給出靜摩擦力的方向：靜摩擦力的方向總是沿著接觸面，并且跟物體相對運動趨勢的方向相反. 接著用二力平衡的知識，分析相對于地面靜止的物體受到的靜摩擦力隨推力的增大而增大，并與推力的大小保持相等. 接著觀察演示實驗，如圖2所示，用彈簧測力計拉木塊，拉力逐漸增大，木塊一直保持靜止，當拉力大于某個值時，木塊開始運動，認真觀察會發現拉力突然變小，從而得到最大靜摩擦力Fmax的概念，進而得到靜摩擦力的范圍0﹤F≤Fmax. 最后在“說一說”中，介紹了日常生活和生產中利用靜摩擦力的實例.

通過以上分析，發現如下四個問題：（1）筆者查閱初中人教版教材，其中沒有介紹“摩擦”“相對運動的趨勢”“靜摩擦力”這三個概念，而高中必修1中直接給出這三個概念，造成學生認知困難. （2）研究一個力，應該知道這個力的三要素，但教材只分析了靜摩擦力的方向和大小，而沒有指出靜摩擦力的作用點. （3）分析靜摩擦力的大小時，沒有指出使用的方法——平衡法，不利于培養學生的遷移能力. （4）“說一說”中，只列舉了有用的一面，沒有列舉有害的一面，缺乏辯證思維.

二、教材重構

由于教材存在上述問題，筆者從高端備課的視角進行重構.所謂“高端備課”，是以物理課程與教學論為指導，采用備課形式，研究既符合物理學內在邏輯，又符合物理教學規律，同時符合學生學習規律的教學設計，體現從物理知識傳授到物理方法教育，再到物理思想形成的核心理念.

（一）重構思路

1.查閱初中教材 關注知識銜接

筆者查閱了人教版初中“摩擦力”一節，初中教材并沒有給出 “相對運動趨勢”的概念，而高中教材直接出現“相對運動趨勢”，因此造成了學生認知困難，學生普遍反映靜摩擦力方向難以判斷. 很多高中教師沒有去查閱初中教材，被高中教材的“同學們在初中已經知道”這句話所誤導，從而在高中教學中沒有向學生分析相對運動趨勢，因此，判斷靜摩擦力的方向就變成了教學難點.

2.給出摩擦概念 消除矛盾認識

在高一學生頭腦中，普遍認為“摩擦”就是有“相對運動”.現在高中突然出現“靜摩擦力”，其中“摩擦”是指有相對運動，而其中的“靜”是指沒有相對運動，顯然出現邏輯矛盾！因此，高端備課先通過對比得出“摩擦”的概念，使學生更容易理解靜摩擦力產生的條件以及靜摩擦力的方向. 這樣處理，符合物理教學邏輯，適應學生認知規律，降低了教學難度，突破了教學難點.

3.實驗探究規律 培養科學素養

創設實驗，探究靜摩擦力的大小，發現靜摩擦力存在最大值，稱為最大靜摩擦力.既然發現了最大靜摩擦力，就要更進一步探究靜摩擦力的大小與什么因素有關. 采用“控制變量法”，探究出最大靜摩擦力隨壓力的增大而增大.通過實驗探究，消除科學研究的神秘感，培養學生物理學的核心素養.

4.賞析高考試題 關注知識應用

高中階段，用物理知識解決高考試題，是知識應用主要的形式.分析高考試題特點，讓學生靈活應用物理知識，是高中教學的現實需要，也是學生發展的實際需要. 高一學生不能一下提升到高考的難度，但可以引導學生關注高考物理試題的動向，例如后文所舉的例子中，出現了有關向心力的知識，因為高一第一學期還沒有學習到相關的知識，但讓學生了解高考題包含的知識點，更有利于激發學生努力學習的興趣.只有關注知識應用的物理高端備課，才會在一線教學中具有強大的生命力，才會受到一線教師的歡迎.

5.顯化物理方法 培養物理思維

高端備課用比較法，讓學生分辨相對運動與相對運動趨勢的含義，并總結出摩擦的概念，用體驗法，讓每一個學生去感知靜摩擦力的存在，用觀察法找到靜摩擦力的作用點，用平衡法研究靜摩擦力的方向和大小，用控制變量法得出最大靜摩擦力與壓力的關系.只有指出使用的方法，才有利于模仿和遷移，從而使教學效果產生質的飛躍.

6.強化課堂制作 培養動手能力

很多教師的課堂是物理公式的天下，缺乏課堂制作設計，使學生的動手能力不斷弱化.教師在教完物理知識后，應該創設一些小制作，引導學生用剛學的物理知識進行解釋，不要讓高中物理成為“無臂物理”，這與物理學的本質背道而馳. 優秀的物理教師，讓學生在學習物理的過程中，“學中有玩，玩中促學”，玩使學習更輕松，玩使學習更深刻.

（二）教學環節

優化教學流程，突顯科學方法，重視實驗探究，關注知識應用，提倡動手制作，對“靜摩擦力”進行符合物理教學規律、適合學生認知規律、適應高考試題特點、強化學生動手能力的構建.其教學流程如圖3所示.

高端備課的教學流程更加注重教學邏輯的嚴謹性、認知規律的梯度性，有助于學生理解靜摩擦力的規律，提升學生應用靜摩擦力的能力.根據教學流程圖，實施以下教學環節.

1.用比較法理解摩擦的概念

教師首先用圖片展示三種現象，如圖4所示. 圖4a，物體B對物體A有壓力，物體B相對于物體A有相對運動.圖4b，物體B對物體A有壓力，B相對于A無相對運動.圖4c，物體B對物體A有壓力，物體B相對于物體A無相對運動. 圖4b與圖4c的物體B都處于靜止狀態，但是，若物體A的上表面光滑，則圖4b的物體B還是靜止，而圖4c的物體B就會沿物體A斜向下滑動. 在物理學中，把圖4c中的物體B的狀態稱為有相對運動趨勢的狀態；假設物體A的上表面光滑， 物體B沿物體A斜向下滑動的方向稱為相對運動趨勢的方向；把有相對運動和有相對運動趨勢的狀態統稱為摩擦.通過這樣的對比觀察，學生弄清楚了相對運動趨勢的方向，消除了頭腦中對摩擦的狹義理解，為理解靜摩擦力的概念、判斷靜摩擦力的方向理順了思維通道，起到了分解教學難點、降低教學難度的作用.

2.體驗法感知靜摩擦力的存在

教師要求全班學生輕推自己的課桌，雖然手對課桌有推力，但課桌保持靜止，讓學生感受靜摩擦力的存在. 設置課堂“隨手實驗”，學生容易參與，體驗真切，使課堂充滿活力，讓物理知識從書本走向生活.學生有了自身的體驗，再去分析靜摩擦力，感受就會更深刻，理解就會更容易，符合了學生的認知規律.

3.觀察法找到靜摩擦力的作用點

靜摩擦力為接觸力，沒有接觸就沒有靜摩擦力. 通過觀察手推課桌，靜摩擦力的作用點產生在課桌和地面的接觸部分. 作用點雖然容易理解，但教材沒有指出作用點的位置，這使靜摩擦力知識體系缺乏完整性. 任何一個力都有三要素，包括力的作用點、方向、大小，三個要素缺一不可，沒有主次之分，研究力時都應該說清楚，切不可因為簡單而不提及.

4.平衡法得到靜摩擦力的方向和大小

課桌在水平面上受到手的推力和地面對課桌的靜摩擦力而保持靜止，在水平面上處于平衡狀態，根據二力平衡的規律，這兩個力必須大小相等、方向相反，故可知靜摩擦力的方向與推力的方向相反，即與相對運動趨勢的方向相反，靜摩擦力的大小等于推力的大小. 平衡法，是解決物理問題的常用方法，教師指出使用的方法，便于學生模仿和運用.

5.實驗探究

通過實驗探究，發現存在最大靜摩擦力，只有拉力大于最大靜摩擦力，物體才會開始滑動，開始運動瞬間，拉力會突然減小，即有滑動摩擦力略小于最大靜摩擦力. 運用控制變量法，在圖2的木塊上加砝碼，即只增大壓力，而保持接觸面的粗糙程度不變，會發現最大靜摩擦力隨壓力的增大而增大. 實驗探究是研究物理的重要手段，也是學習物理過程中必須養成的核心素養.

6.辯證思維

靜摩擦力，本身沒有好壞之分，但在生產和生活中，靜摩擦力有時對人們有幫助，有時對人們有危害.教師在列舉實例時，既要有利用靜摩擦力的實例，也要有防止靜摩擦力的實例. 讓學生明白，任何事物都是一體兩面，只有優點而沒有缺點的事物是不存在的.

7.知識應用

（2014年新課標Ⅰ卷第20題）如圖5，兩個質量均為m的小木塊a和b（可視為質點）放在水平圓盤上，a與轉軸OO′的距離為l，b與轉軸的距離為2l.木塊與圓盤的最大靜摩擦力為木塊所受重力的k倍，重力加速度大小為g，若圓盤從靜止開始繞轉軸緩慢地加速轉動，用ω表示圓盤轉動的角速度. 下列說法正確的是（ ）

A. b一定比a先開始滑動

B. a、b所受的摩擦力始終相等

8.動手制作

教師提供一根筷子，一個紙杯，一杯大米，要求學生用筷子把紙杯提起來.完成后如圖6所示，引導學生用學過的靜摩擦力知識加以解釋：筷子對與其接觸的米粒有向上的靜摩擦力，所以接觸筷子的米粒沒有滑下去；沒有與筷子接觸的米粒與米粒之間也有靜摩擦力，所以整杯大米沒有滑下去；與紙杯接觸的大米對紙杯有向上的靜摩擦力，所以紙杯沒有滑下去，這樣就實現了筷子提杯. 通過動手制作，讓課堂方式更豐富，使課堂氣氛更輕松，對靜摩擦力的理解更深刻.