高中摩擦力教學難點成因及對策

郭 強

(寧夏銀川市第二中學,寧夏 銀川 750001)

摩擦力是高中物理的“必備知識”,是培養學生學科素養和發展學生關鍵能力的重要載體.摩擦力也是高中物理受力分析和后續學習的重要基礎,而摩擦力的學習更是一個難點,尤其在綜合性較強的問題中往往會因為摩擦力分析不當而導致出錯.在摩擦力教學中研究學生易錯之處,分析教學難點成因,并找到有效教學對策,提高這一內容的教學質量,使學生在物理學習中獲得較好的體驗感,凸顯物理學科育人價值.

1 摩擦力教學難點

在摩擦力教學中,發現學生在以下四個方面容易出錯.

第一,摩擦力有無的判斷.摩擦力產生條件較多,且有些條件較抽象,學生沒有經過嚴謹推理分析,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生受運動方向、物體疊加、運動狀態等非本質因素的干擾而出錯.

第三,摩擦力大小的計算.學生計算摩擦力時學生習慣性用f=μFN計算包括靜摩擦力在內的所有摩擦力的大小,且認為FN=mg總成立,導致摩擦力大小計算錯誤.

第四,摩擦力作用效果分析.由于原有經驗導致的思維定式,學生認為摩擦力總是阻力,使物體減速.

2 摩擦力教學難點成因

學生普遍覺得摩擦力難學,教師普遍覺得摩擦力難教,造成這一現實教學困惑的原因較多.

2.1 摩擦力概念過于抽象

摩擦力雖然生活中處處有,學生能感受到摩擦力作用效果,但是產生摩擦力的條件比較抽象,學生學習難度較大.滑動摩擦力產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生阻礙物體相對運動的力叫摩擦力,導致學生理解時思維鏈條較長,容易造成學習困惑.

2.3 錯誤前概念太多

學習摩擦力之前學生根據已有的生活經驗在頭腦中產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 摩擦力的應用綜合性強

與摩擦力應用有關的物理問題往往綜合性較強,關聯的知識較多.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、勻變速直線運動關聯度較高,運用的知識點多,思維鏈條較長,尤其當物塊在傳送帶、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生變化,甚至有可能需要分類討論.在一些復雜的問題中,有時還需要根據牛頓第三定律轉化研究對象.

3 應對策略

3.1 強化概念構建

基礎知識是解決問題的前提,要突破摩擦力教學疑難需要強化概念構建、夯實基礎知識,促進學生深刻理解概念的內涵及外延.

以學生乘坐高鐵為例,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,學習滑動摩擦力計算公式時,需要特別強調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,并在學習牛頓第三定律后,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,讓學生掌握滑動摩擦力計算公式的本質,避免學生計算摩擦力大小時誤用f=μmg.

3.2 創設情境增強體驗

越是難的學習內容,越要構建情境,增強學生的學習體驗,化解物理知識的抽象程度,降低學生理解知識的難度.通過學生能夠親身體驗的探究活動、游戲,學生能夠更好掌握知識.情境創設可以從學生熟悉的生活實例或者實驗探究兩個視角入手,使物理教學貼近學生原有經驗、貼近學生學生學習需求.

關于走路時的摩擦力,學生有不少誤解,最為典型的就是認為走路時的摩擦力是滑動摩擦力.課堂上可以讓學生上臺,用慢動作走路,然后教師對學生走路的慢動作進行分解、分析,并讓其它同學模仿、感受走路時摩擦力何時產生?在那一只腳產生(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.

以學生乘坐高鐵創設情境,制造認知沖突,突破學生“相對運動方向即為運動方向”的原有錯誤認知.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.為了進一步研究清楚小車前輪、后輪所受摩擦力的區別,可以進一步按照圖2所示進行探究,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).本探究在學生學習牛頓第三定律后進行,分析過程更順暢,學生更容易接受,具有更好的教學效果.

3.3 用反例創設認知沖突

認知沖突在物理教學中具有重要的價值.在物理教學中預設認知沖突,讓學生通過課程的學習不僅簡單學習、接受物理知識,更在沖突過程中形成懷疑,在認知上、在心理上產生不平衡,達到“憤悱”的心理狀態,使學生在頭腦中形成質疑和批判,形成積極主動的學習狀態,激發學生的學習內驅力和學習興趣[1].利用反例構建認知沖突,不僅可以快速否定論斷,且打破原有認知平衡,讓學生對知識的理解更透徹.反例可以來源于生活實例,也可以是學生解決問題積累的情境.

摩擦力教學中學生原有錯誤認知及反例如表1所示.

表1 學生認知錯誤及反例

3.4 變式教學掌握本質

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

第一,如圖3所示,傳送帶以速度v勻速運轉,動摩擦因數為μ,物塊質量為m.讓學生分析物塊剛放在傳送帶時所受摩擦力性質及方向.

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,假設傳送帶傾角θ=37°,動摩擦因數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的速度為6 m/s,傳送帶長5 m,將求物塊到達傳送帶頂端的時間.

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

教學中需要創設情境,利用反例打破原有認知平衡,實現先破后立,讓學生透徹理解摩擦力的概念、產生條件、方向判斷方法、突破錯誤前概念,構建真知.摩擦力學懂弄通后受力分析才會少出錯,后續學習和問題解決才能順利進行.教學難點的突破,摸清學情至關重要,知道學生存在哪些錯誤前概念,學生在何處容易出錯,并針對學生的錯誤和困惑采取有針對性的教學策略,改善學生的學習體驗,促進學生學習效率的提升,有效突破教學疑難,為后續物理學習奠定基礎.