高中摩擦力教學(xué)難點成因及對策

郭 強(qiáng)

(寧夏銀川市第二中學(xué),寧夏 銀川 750001)

摩擦力是高中物理的“必備知識”,是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生關(guān)鍵能力的重要載體.摩擦力也是高中物理受力分析和后續(xù)學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ),而摩擦力的學(xué)習(xí)更是一個難點,尤其在綜合性較強(qiáng)的問題中往往會因為摩擦力分析不當(dāng)而導(dǎo)致出錯.在摩擦力教學(xué)中研究學(xué)生易錯之處,分析教學(xué)難點成因,并找到有效教學(xué)對策,提高這一內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量,使學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中獲得較好的體驗感,凸顯物理學(xué)科育人價值.

1 摩擦力教學(xué)難點

在摩擦力教學(xué)中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生在以下四個方面容易出錯.

第一,摩擦力有無的判斷.摩擦力產(chǎn)生條件較多,且有些條件較抽象,學(xué)生沒有經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)推理分析,僅憑直觀感覺容易判斷出錯.

第二,摩擦力方向的判斷.判斷摩擦力方向時學(xué)生受運動方向、物體疊加、運動狀態(tài)等非本質(zhì)因素的干擾而出錯.

第三,摩擦力大小的計算.學(xué)生計算摩擦力時學(xué)生習(xí)慣性用f=μFN計算包括靜摩擦力在內(nèi)的所有摩擦力的大小,且認(rèn)為FN=mg總成立,導(dǎo)致摩擦力大小計算錯誤.

第四,摩擦力作用效果分析.由于原有經(jīng)驗導(dǎo)致的思維定式,學(xué)生認(rèn)為摩擦力總是阻力,使物體減速.

2 摩擦力教學(xué)難點成因

學(xué)生普遍覺得摩擦力難學(xué),教師普遍覺得摩擦力難教,造成這一現(xiàn)實教學(xué)困惑的原因較多.

2.1 摩擦力概念過于抽象

摩擦力雖然生活中處處有,學(xué)生能感受到摩擦力作用效果,但是產(chǎn)生摩擦力的條件比較抽象,學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大.滑動摩擦力產(chǎn)生條件兩物體間有相對運動,摩擦力方向與相對運動方向相反,學(xué)生常將相對運動方向與運動方向混淆.靜摩擦力概念中,物體是否有相對運動趨勢,相對運動趨勢方向,都難以判斷.

2.2 概念表述冗長

摩擦力概念文字表述比較長、層級較多,一般分兩個層級才定義摩擦力的概念,且要將摩擦力的產(chǎn)生條件和作用效果在概念中表述清楚.以滑動摩擦力概念為例,一般先定義滑動摩擦,然后再提出在滑動摩擦中產(chǎn)生阻礙物體相對運動的力叫摩擦力,導(dǎo)致學(xué)生理解時思維鏈條較長,容易造成學(xué)習(xí)困惑.

2.3 錯誤前概念太多

學(xué)習(xí)摩擦力之前學(xué)生根據(jù)已有的生活經(jīng)驗在頭腦中產(chǎn)生了較多的錯誤前概念,主要有:運動方向就是相對運動方向;摩擦力是阻力,使物體減速;運動物體受到的摩擦力一定是滑動摩擦力,靜止物體受到的摩擦力一定是靜摩擦力;摩擦力的大小一定是f=μFN=μmg.

2.4 摩擦力的應(yīng)用綜合性強(qiáng)

與摩擦力應(yīng)用有關(guān)的物理問題往往綜合性較強(qiáng),關(guān)聯(lián)的知識較多.尤其是涉及到物體多運動過程時,與受力分析、牛頓運動定律、勻變速直線運動關(guān)聯(lián)度較高,運用的知識點多,思維鏈條較長,尤其當(dāng)物塊在傳送帶、長木板上運動時,需要判斷物體所受摩擦力方向大小有沒有發(fā)生變化,甚至有可能需要分類討論.在一些復(fù)雜的問題中,有時還需要根據(jù)牛頓第三定律轉(zhuǎn)化研究對象.

3 應(yīng)對策略

3.1 強(qiáng)化概念構(gòu)建

基礎(chǔ)知識是解決問題的前提,要突破摩擦力教學(xué)疑難需要強(qiáng)化概念構(gòu)建、夯實基礎(chǔ)知識,促進(jìn)學(xué)生深刻理解概念的內(nèi)涵及外延.

以學(xué)生乘坐高鐵為例,上車后拖著木箱往向車廂尾部走去,列車開動后車速較大,讓學(xué)生分析箱子的運動方向和相對運動方向.相對運動是列車為參考系,箱子相對運動方向向后,而運動方向則是以地面為參考系,車運動的速度大于人拖著箱子向后的速度,箱子運動方向向前.然后總結(jié)得出“相對運動方向的判斷以摩擦力施力物體為參考系,運動方向則是以地面為參考系,摩擦力施力物體未必是地面”.另外,學(xué)習(xí)滑動摩擦力計算公式時,需要特別強(qiáng)調(diào)f=μFN是滑動摩擦力專用公式,FN是接觸面的正壓力,未必等于研究對象的重力,并列舉正壓力等于重力、不等于重力的例子,比如物體放在水平面上分別在水平推力、斜向上推力、斜向下推力的作用下運動,將物體放在斜面上運動等,并在學(xué)習(xí)牛頓第三定律后,利用二力平衡和牛頓第三定律分析為何物體置于水平面上在水平力作用下f=μFN=μmg,讓學(xué)生掌握滑動摩擦力計算公式的本質(zhì),避免學(xué)生計算摩擦力大小時誤用f=μmg.

3.2 創(chuàng)設(shè)情境增強(qiáng)體驗

越是難的學(xué)習(xí)內(nèi)容,越要構(gòu)建情境,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗,化解物理知識的抽象程度,降低學(xué)生理解知識的難度.通過學(xué)生能夠親身體驗的探究活動、游戲,學(xué)生能夠更好掌握知識.情境創(chuàng)設(shè)可以從學(xué)生熟悉的生活實例或者實驗探究兩個視角入手,使物理教學(xué)貼近學(xué)生原有經(jīng)驗、貼近學(xué)生學(xué)生學(xué)習(xí)需求.

關(guān)于走路時的摩擦力,學(xué)生有不少誤解,最為典型的就是認(rèn)為走路時的摩擦力是滑動摩擦力.課堂上可以讓學(xué)生上臺,用慢動作走路,然后教師對學(xué)生走路的慢動作進(jìn)行分解、分析,并讓其它同學(xué)模仿、感受走路時摩擦力何時產(chǎn)生?在那一只腳產(chǎn)生(是相對地面運動的腳運動的腳還是靜止的腳)?通過體驗學(xué)生可以明確知道人走路時,是相對于地面靜止的腳有向后蹬的動作導(dǎo)致該腳有相對地面向后滑動的趨勢從而受到向前的靜摩擦力,而人向前邁步的腳沒有受到摩擦力.

以學(xué)生乘坐高鐵創(chuàng)設(shè)情境,制造認(rèn)知沖突,突破學(xué)生“相對運動方向即為運動方向”的原有錯誤認(rèn)知.在研究汽車與地面之間的摩擦力時候可以利用電動玩具小車,按照圖1所示,在一塊薄木板下放若干圓柱形鉛筆,電動小車置于木板之上,啟動小車,木板向后運動,小車向前,可知木板受到小車給的向后的摩擦力力,小車受到向前的木板給的摩擦力.為了進(jìn)一步研究清楚小車前輪、后輪所受摩擦力的區(qū)別,可以進(jìn)一步按照圖2所示進(jìn)行探究,將兩塊木板置于圓木鉛筆之上,兩木板上分別是后驅(qū)小車的前輪、后輪,啟動小車,其前輪下的木板向前,受到向前的摩擦力,前輪(從動輪)受到的摩擦力向后(是阻力),后輪下的木板向后,其受到向后的摩擦力,后輪(主動輪)受到向前的摩擦力(是動力).本探究在學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第三定律后進(jìn)行,分析過程更順暢,學(xué)生更容易接受,具有更好的教學(xué)效果.

3.3 用反例創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突

認(rèn)知沖突在物理教學(xué)中具有重要的價值.在物理教學(xué)中預(yù)設(shè)認(rèn)知沖突,讓學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)不僅簡單學(xué)習(xí)、接受物理知識,更在沖突過程中形成懷疑,在認(rèn)知上、在心理上產(chǎn)生不平衡,達(dá)到“憤悱”的心理狀態(tài),使學(xué)生在頭腦中形成質(zhì)疑和批判,形成積極主動的學(xué)習(xí)狀態(tài),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力和學(xué)習(xí)興趣[1].利用反例構(gòu)建認(rèn)知沖突,不僅可以快速否定論斷,且打破原有認(rèn)知平衡,讓學(xué)生對知識的理解更透徹.反例可以來源于生活實例,也可以是學(xué)生解決問題積累的情境.

摩擦力教學(xué)中學(xué)生原有錯誤認(rèn)知及反例如表1所示.

表1 學(xué)生認(rèn)知錯誤及反例

3.4 變式教學(xué)掌握本質(zhì)

物理教學(xué)中變式教學(xué)是促進(jìn)學(xué)生掌握知識本質(zhì)、發(fā)展思維品質(zhì)的重要手段,也是突破教學(xué)疑難的常用策略.采用從簡單情境開始,循序漸進(jìn)逐步提升問題思維難度、情境復(fù)雜程度,有利于讓學(xué)生掌握知識與方法,提升遷移能力.物理變式教學(xué)由于自身特點,可以循序漸進(jìn)、由易到難,并通過“變”與“不變”的凸顯、反復(fù)和對照,使得細(xì)致、精微的方法要素得以在變式的平臺上有序地呈現(xiàn) 并展開教學(xué)[2].在摩擦力習(xí)題教學(xué)中,適合開展變式教學(xué),促進(jìn)學(xué)生在各種相似、相近情境的對照中夯實基礎(chǔ)、掌握知識本質(zhì).以物塊在傳送帶上的運動為例可以開展如下變式教學(xué).

第一,如圖3所示,傳送帶以速度v勻速運轉(zhuǎn),動摩擦因數(shù)為μ,物塊質(zhì)量為m.讓學(xué)生分析物塊剛放在傳送帶時所受摩擦力性質(zhì)及方向.

圖3 水平傳送帶 圖4 傾斜傳送帶

第二,傳送帶夠長,判斷物塊與傳送帶共速后物塊所受摩擦力情況.

第三,傳送帶傾角為θ,動摩擦因數(shù)為μ,將物塊無初速放在斜面底端,如圖4所示,分析物塊所受摩擦力情況.

第四,傳送帶夠長,分物塊與傾斜傳送帶共速后,物塊所受摩擦力可能的情況.

第五,假設(shè)傳送帶傾角θ=37°,動摩擦因數(shù)μ=0.5,物塊以6 m/s的速度從底端滑上傳送帶,若傳送帶順時針運轉(zhuǎn)的速度為6 m/s,傳送帶長5 m,將求物塊到達(dá)傳送帶頂端的時間.

第六,將上一問中傳送帶順指針運轉(zhuǎn)的速度改為4 m/s,求物塊到達(dá)傳送帶頂端的時間.

教學(xué)中需要創(chuàng)設(shè)情境,利用反例打破原有認(rèn)知平衡,實現(xiàn)先破后立,讓學(xué)生透徹理解摩擦力的概念、產(chǎn)生條件、方向判斷方法、突破錯誤前概念,構(gòu)建真知.摩擦力學(xué)懂弄通后受力分析才會少出錯,后續(xù)學(xué)習(xí)和問題解決才能順利進(jìn)行.教學(xué)難點的突破,摸清學(xué)情至關(guān)重要,知道學(xué)生存在哪些錯誤前概念,學(xué)生在何處容易出錯,并針對學(xué)生的錯誤和困惑采取有針對性的教學(xué)策略,改善學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提升,有效突破教學(xué)疑難,為后續(xù)物理學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).