利用自制教具探究不同場景下的靜摩擦力

陳華軒

［摘 要］靜摩擦力是高中物理的重點和難點，較為抽象，學生不易理解。教材的實驗設計和傳統的實驗器材在探究靜摩擦力的方向及大小的變化特點上存在不足。為了幫助學生更好地理解靜摩擦力，探究靜摩擦力的大小及方向的變化特點，教師可自制靜摩擦力演示儀，引導學生探究不同場景下的靜摩擦力，進而讓學生掌握靜摩擦力的變化情況。

［關鍵詞］自制教具；不同場景；靜摩擦力

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）15-0047-03

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中提到：“引導教學更加關注育人目的，更加注重培養學生核心素養。”物理學科核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面。實驗是物理學的基礎，其貫穿整個物理教學，是培養學生核心素養必不可少的手段。在激發學生學習興趣、突破教學重難點上實驗的作用更是顯而易見。

隨著科學技術的發展和育人理念的更新，物理教師對實驗的重視程度也在逐步提升。由于學校實驗器材的限制等，使得部分實驗無法順利開展，為此物理教師選擇了自制教具輔助教學，收到了不錯的效果，也給課堂增色不少。本文主要闡述如何利用自制教具——靜摩擦力演示儀突破教學難點。

一、 教材中關于靜摩擦力的演示

“摩擦力”是人教版高中物理教材必修第一冊第三章第二節的內容。摩擦力是高中物理的一個重點知識，同時也是大部分學生的學習難點。尤其是靜摩擦力，一直以來都被學生認為是一塊難啃的“硬骨頭”。教材課后練習中從方向和大小兩個方面引導學生對靜摩擦力展開了探究。其中，探究靜摩擦力方向的主要有三個小實驗：手壓著桌面向前移動，會明顯地感到桌面對手有向后的靜摩擦力；手握住玻璃瓶，如果松手，玻璃瓶將會豎直下落，說明玻璃瓶受到向上的靜摩擦力；水平推木箱，但沒有推動，根據二力平衡可知，木箱受到與推力方向相反的靜摩擦力。探究靜摩擦力大小的實驗則有：用彈簧測力計沿水平方向拉靜止在水平桌面上的木塊，彈簧測力計的讀數即為木塊所受到的靜摩擦力的大小。這些實驗簡單易操作，但也存在以下不足：（1）無法直觀觀察到靜摩擦力的方向；（2）無法同時顯示靜摩擦力大小、方向的變化。為此，筆者自制了靜摩擦力演示儀，并用其輔助實驗教學，取得了良好的實驗教學效果。

二 、靜摩擦力演示儀介紹

（一）裝置與結構

靜摩擦力演示儀的裝置與結構如圖1和圖2所示。

靜摩擦力演示儀主要分為箱體、毛刷兩個部分。箱體用于演示靜摩擦力的大小，毛刷用于演示靜摩擦力的方向。箱體內部裝有兩根橫梁，其中一根橫梁的左右兩端各串有一根彈簧，彈簧一端與箱體側面固定，另一端與塑料管連接，塑料管下端與一方形摩擦塊相連，摩擦塊底面與毛刷下端基本持平。左右彈簧使塑料管處于平衡狀態，用力向右輕推箱體，使箱體有相對地面向右運動的趨勢，毛刷傾斜，定性顯示靜摩擦力的方向。摩擦塊受到相對桌面向左的靜摩擦力，靜摩擦力的大小由指針指示刻度顯示，當然，刻度顯示的不是摩擦力大小的具體讀數，而是摩擦力大小的變化情況。

（二）制作材料

彈簧、刻度板、木箱、金屬桿、毛刷、滑塊、塑料管。

（三）制作方法

1.準備一個箱體，去掉箱體下底面，在箱體的上底面中間開一個長方形的槽（見圖3）。

2.在箱體的中間位置水平安裝兩根金屬橫梁，在一根塑料管的中間位置鉆四個小孔，讓橫梁從小孔穿過，調節塑料管，使其可以在橫梁上左右移動（見圖4），并且使摩擦盡可能小。

3.將兩根勁度系數適中的彈簧穿在其中一根橫梁的左右兩端，彈簧一端與箱體側面固定，另一端與塑料管固定（見圖5）。

4.塑料管下端固定一個方形鐵塊充當摩擦塊（見圖6）。

5.在塑料管的上端裝上指針，在指針后面豎直安裝一塊紙板并在紙板上畫出刻度（見圖7）。

6.在箱體下端裝上軟毛，并用細繩將軟毛分成小束（見圖8）。

三、應用靜摩擦力演示儀探究三種場景下的靜摩擦力的情況

靜摩擦力演示儀可以用于探究三種場景下物體所受靜摩擦力的情況。

（一）水平方向上的物體所受的靜摩擦力隨外力變化的情況

將靜摩擦力演示儀置于粗糙的水平桌面上，調節刻度板，使指針指在中間刻度線處。往左輕推靜摩擦力演示儀，使箱體有相對桌面向左運動的趨勢，此時，毛刷向右傾斜，同時指針向右偏（見圖9），表示箱體受到的靜摩擦力方向向右。繼續增大推力，但仍保持箱體相對桌面靜止，發現毛刷傾斜方向不變，指針偏轉幅度變大，表示箱體受到的靜摩擦力變大（見圖10）。

（二）斜面上的物體所受的靜摩擦力隨外力變化的情況

調節靜擦力演示儀的刻度板，使指針指在中間刻度線處。將靜擦力演示儀置于粗糙斜面上，在重力的作用下，靜擦力演示儀有沿斜面向下運動的趨勢，此時，指針向右偏轉，毛刷沿斜面向上傾斜，顯示箱體受到的靜摩擦力方向沿斜面向上（見圖11）。用沿斜面向上的力輕推靜摩擦力演示儀（見圖12），逐漸增大推力，但仍保持箱體相對斜面靜止，可看到靜摩擦力先變小后變大，方向由沿斜面向上變為沿斜面向下（見圖13）。

該實驗還可以拓展為探究物體在傾斜傳送帶上隨傳送帶一起運動時所受靜摩擦力的情況。如讓某一木板保持一定的傾斜角勻速上行或下行，令靜摩擦力演示儀與木板始終保持相對靜止，觀察到毛刷均沿斜面向上傾斜，顯示物體受到的靜摩擦力方向均沿斜面向上。改變木板的運動速度，可以觀察到較復雜運動情況下物體所受靜摩擦力的情況。

（三）物體水平加速或減速時靜摩擦力的變化情況

在汽車上安裝一塊水平粗糙木板，將靜摩擦力演示儀放在水平木板上，調節刻度板，使指針指在中間刻度線處。將汽車開至車流量較小的平直馬路上，以較大的加速度給汽車加速，此時指針向右偏轉，毛刷向右傾斜（見圖14），與汽車前進方向一致。接著，緊急剎車使汽車減速，此時指針向左偏轉，毛刷向左傾斜（見圖15），表示箱體受到與汽車前進方向相反的靜摩擦力。

教師將此實驗拍成視頻，然后在課堂上給學生展示。

通過運用靜摩擦力演示儀對三種常見場景下的靜摩擦力展開探究，學生對靜摩擦力的變化特點理解更加深刻，突破了教學難點。同時，在探究的過程中，學生的物理觀念、科學探究等核心素養也得到了很好的提升。

四、靜摩擦力在高考中的體現

靜摩擦力為高考物理的必考考點，題型不一、難度偏大，但總體而言，大部分考查靜摩擦力的題目情境都是上述三種常見場景的延伸。如，2019年高考全國Ⅰ卷物理試題第19題就對第二種場景進行了考查。題目：如圖16所示，一粗糙斜面固定在地面上，斜面頂端裝有一光滑定滑輪。一細繩跨過滑輪，其一端懸掛物塊[N]，另一端與斜面上的物塊[M]相連，系統處于靜止狀態。現用水平向左的拉力緩慢拉動[N]，直至懸掛[N]的細繩與豎直方向成45°。已知[M]始終保持靜止，則在此過程中（）。

A. 水平拉力的大小可能保持不變

B. [M]所受細繩的拉力大小一定一直增加

C. [M]所受斜面的摩擦力大小一定一直增加

D. [M]所受斜面的摩擦力大小可能先減小后增加

這道題可先對[N]進行受力分析，得出細繩的拉力大小一直在增加，然后對[M]進行受力分析，顯而易見，[M]受到的靜摩擦力的變化情況與第二種場景一致。運用斜面上物體靜摩擦力隨外力的變化特點分析得出，[M]所受斜面的摩擦力大小可能是先減小后增加。

又如，2014年高考江蘇卷物理試題第8題：如圖17所示，[A]、[B]兩物塊的質量分別為2[m]和[m]，靜止疊放在水平地面上。A、B間的動摩擦因數為[μ]，[B]與地面間的動摩擦因數為[12μ]。最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，重力加速度為[g]。現對[A]施加一水平拉力[F]，則（）。

A. 當[F<2μmg]時，[A]、[B]都相對地面靜止

B. 當[F=5/2μmg]時，[A]的加速度為[1/3μg]

C. 當[F>3μmg]時，[A]相對[B]滑動

D. 無論[F]為何值，[B]的加速度不會超過[1/2][μg]

這道題屬于力與運動的模塊，解題的關鍵在于分析出[A]與[B]、[B]與地面之間的摩擦力的變化情況。在[A]與[B]、[B]與地面未發生相對運動時，物體受到的摩擦力均為靜摩擦力。運用水平方向上的物體所受的靜摩擦力隨外力變化的特點，以及結合牛頓第二定律即可得出答案。

五、靜摩擦力演示儀的優點

靜摩擦力演示儀具有以下優點：

1. 取材簡單，制作成本低。演示儀的制作材料大部分來源于實驗廢棄用料，變廢為寶，成本接近零。

2. 能演示多種場景下靜摩擦力的變化情況，彌補教材中只演示水平方向、豎直方向上物體所受的靜摩擦力的變化情況的不足。

3. 將靜摩擦力的大小和方向展示融為一體，解決了傳統實驗器材難以同時展示的不足。

4. 操作簡易，實驗現象穩定直觀。

六、教學實踐體會

隨著新課程改革的不斷推進，實驗數量大大增加，實驗方法不斷改進，教師積極開發與應用自制教具有著積極的意義。

1. 自制教具有高度的靈活性、直觀性和針對性的特點，可以增加學生的直觀體驗，形象化理論知識，提高學生的學習興趣，幫助學生理解知識，有效突破教學難點。

2.自制教具是教師為了突破教學難點而進行的“創造”，同時也是教師對實驗的一種態度。這種態度直接影響學生，如果教師能經常向學生展示自己的“自創產品”，學生也會在潤物細無聲中躍躍欲試，教師適時地加以引導，鼓勵學生動手制作學具，能更好地培養學生的創新意識及解決問題的能力，鍛煉學生的觀察能力和思維能力，促使學生得到全面發展，提升學生的科學素養。

3.教具的制作過程涉及大量的學科知識和實踐技術，設計、制作和調試等環節均需要教師具備創造能力和突破精神，且這些環節的反復推敲亦充滿挑戰和樂趣。在制作教具的過程中，教師的動手能力、創新能力、思維水平都會逐漸提高。因此，自制教具也是提升教師個人專業素養的有效途徑。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 吳廣國，鄒斌. 測量靜摩擦力大小實驗中需要關注的三個問題［J］.中學物理教學參考，2021（10）：49-51.

［3］? 蔡鉗，陳信余. 再議“摩擦力”教學中的幾個疑慮［J］.物理教師，2020（7）：60-61，63.

［4］? 王松，王國強，徐進紅.高中物理教學中自制教具的開發與利用實踐研究［J］.中學物理教學參考，2022（34）：47-51.

（責任編輯 黃春香）