摩擦力教学中通过实验提高学生模型构建能力的探究

孟祥青

【摘要】 传统的物理教学多注重物理模型的介绍和应用，试图让学生在训练中掌握物理模型并能运用其解决物理问题。缺失了对模型构建过程的教学，无法做到知识的迁移和应用。静摩擦力的教学是很抽象的，本文通过静摩擦力大小的模型构建教学和“相对运动趋势”的方向的模型构建教学，以及对人走路中静摩擦力大小和方向变化的模型构建教学，提高学生模型构建能力，把教学中的两个大难点充分化解了。

【关键词】 模型构建探究 静摩擦力 相时运动趋势

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2014）09-027-02

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所谓的物理模型就是根据所研究对象的形状、大小、运动过程、状态、结构等特征，抓住主要因素，忽略次要因素而建立起来的一种高度抽象的，理想化的实体、概念和过程。这个实体、概念和过程来源于实际，但又有别于实际，它主要展示了实际问题中实体、过程、状态、现象的主要特征，以便于人们学习和研究。

在物理教学中为什么要构建物理模型。研究任何物理现象，都应分清主要因素和次要因素，想要了解物理现象的本质，掌握事物发展的基本规律，就要抓住问题的主要因素，适当的忽略次要因素对物理现象的影响，从而得到物理问题的最本质、最一般的规律，而这样一个过程就是构建物理模型的过程。北大教授赵凯华先生在《我国赴美物理研究生考试历届试题集解》的序言中指出，物理教学可以有两种方式进行，一种是教师直接将原始的物理问题提交给学生，让学生自己思考问题，剖析问题，自己抽象出解决问题的模型，进而解决问题。另一种是把物理问题经过总结思考后形成物理的或者数学模型再转达给学生，让学生刻板地记忆物理问题或者物理模型。赵凯华教授直言不讳地说，后一种教学方式所教出学生在遇到实际的物理问题时，很难把第一手的物理资料整理成物理或者数学模型进而加以分析，从而造成了物理问题解决的极大的鸿沟，无法逾越。这充分体现了物理模型的构建在赵教授心中的地位。

我国传统物理教学十分注重系统知识的传授，教师多采用“填鸭式”教学，将知识系统地讲授给学生，学生与丰富的物理现象和事实相互接触的机会很少，更不会从物理现象和事实中概括、抽象出物理模型，这就难于透彻地认识物理现象的本质和规律，学生则是被动的听众，成为知识的接收器，并没有主动地参与教学中建立物理模型和应用物理模型活动过程。

静摩擦力的教学，就是对教了数十年的老教师来说，总觉得还是很难达到令自己满意的教学效果，笔者对这一教学内容不断地尝试和改进，特别是新课标的实施，使自己充分体会到了与时俱进的重要性。教学理念的更新，现代教学仪器的应用，多媒体的正确合理使用，以及充分发挥集体智慧的作用，都将使自己的教学探索永无止境。笔者通过课题研究，对静摩擦力的教学进行了充分的探索，现把对这一内容的教学探究所得总结如下：

一、对静摩擦力大小的模型构建探究

先让学生体验实验：用细线水平拉滑块，在水平细线拉力作用下有向右滑动的趋势，但没有滑动。然后逐渐增大水平拉力，直到滑块滑动。

设问1：静摩擦力如何变化？

设问2：静摩擦力能不能无限制地增大呢？

对于这一问题，学生不难得出结论，但是这一限度即最大静摩擦力是多少，有什么规律，由于无法定格观察，学生对这一教学内容的理解有一定的难度。

虽然可用弹簧秤来研究，即在弹簧秤上放一红色纸条以显示最大静摩擦力的大小在弹簧秤上的读数位置，但这也无法记录静摩擦力大小变化的整个过程。因此，如果这里用力传感器来研究，就可形象直观地显示出来，其装置原理如图1所示。

慢慢地施加力，直到抽动木块下面的木板，这一过程通过Dislab由计算机处理后可得到如图2所示的Ff-t图象。

图1 图2

思考与讨论：从图象你能获取哪些物理信息？

引导学生由图2得到如下信息：滑动前，静摩擦力随外力的增大而增大，但有一个限度，即最大静摩擦力的存在；拉动以后，摩擦力变小了，即变成了滑动摩擦力；由图2还可知道，最大静摩擦力略比滑动摩擦力大。

显然，这比传统教学相比有很大的优点，因为这一过程形象直观地全部展现在了学生面前。

二、对“相对运动趋势”的方向的模型构建探究

相对运动趋势的教学可谓是非常的抽象，学生初学觉得难度很大，以前，大多数老师都是通过演示一般的实验并辅以讲授来让学生理解，但学生还是理解起来有一定困难。

这里，设计了如下问题与实验来让学生体验与理解。

设问：怎样叫“有相对运动趋势”？怎样判断“相对运动趋势的方向”？

首先让学生通过拉桌面上的木块以体验相对运动趋势，随后让学生回答：相对运动趋势的方向如何？你观察到了相对运动趋势吗？学生往往较难回答后一个问题。

此时老师可以这样引导学生：当我们需要判断某一接触面是否具有相对运动趋势时，在保持所有条件都不变的情况下，假设这个接触面变为光滑，如果仍然能保持接触面的相对静止，则原来静止时就没有相对运动趋势；如果变为光滑后，两接触面相对滑动起来，说明原来静止时具有相对运动的趋势，之所以没有相对运动，就是因为被静摩擦力给“卡”住了，也就是说，原来存在着静摩擦力。

假设接触面变为光滑后接触面的运动方向，就是原来静止时的运动趋势方向，静摩擦力的方向跟这个方向相反。

接下来设计了如下问题和实验来体验和观察相对运动趋势。

思考与讨论：如图3所示，A、B叠在一起放在水平桌面上，现对B施加一水平拉力F，此时A、B都处于静止状态，请判断A、B之间，B与桌面之间有无静摩擦力的作用？如果有，方向如何？

学生对这个问题虽然有所悟，但无法直观表现出来，那么如何直观呈现出A与B间，B与桌面间是否有相对运动趋势？

对这一问题，让学生用实验来探究这个问题：

器材：两本书和两支铅笔。

把两本书叠在一起，放在水平桌面上，纸带夹在下面这本书中，先把两支铅笔放在A、B之间以减小摩擦，轻轻拉B，看A是否会滑动（如图4）；然后把两支铅笔放在B与桌面之间，同样轻轻拉B（如图5），看B是否滑动，滑动方向如何？

图4 图5

此时学生会发现，如图4轻轻拉书B，上面的A是不会滑动的，说明A相对B没有相对运动趋势；而如图5拉B，B会相对桌面滑动起来，说明图3中用力F拉B，B有相对桌面向右运动的趋势。

通过这一体验实验，学生彻底明白了什么是相对运动趋势，并且知道如何去判断相对运动趋势的方向。

三、对人走路中静靡擦力大小和方向变化的模型构建探究

人走路是天天必做的事情，也是学完静摩擦力教师必讲的问题，但很少有人去思考走路中静摩擦力大小和方向变化的规律，特别是学生刚学完静摩擦力，对这一问题更是非常感兴趣，但又不知如何研究这一问题。

笔者设计了如图6所示的装置，传感器的一端固定在上面木板上，另一端固定在下面这块木板上，让一个学生轻轻走上木板并离开木板时，传感器通过计算机处理后显示的Ff-t图象即可反映地面对人的静摩擦力这一过程的变化情况，如图7所示。

思考与讨论：从图象中你有哪些发现？

学生活动：思考图象反映的物理信息。

结论：可反映静摩擦力的方向不同以及大小变化情况。

程度较好的学生还可继续设问：图象所围的面积表示什么物理量？当然这一问题学生暂时回答不了，因为所围的面积是表示摩擦力的冲量，但这为后面学习冲量埋下了伏笔，也为学生以后用图象理解冲量提供了事实依据。

通过传感器和计算机的处理，图象形象直观地把人走路这一过程中摩擦力大小和方向变化的规律一览无余地展现出来了。

通过对上面两个问题的探究，及对人走路中静摩擦力大小和方向变化应用的探究，学生对静摩擦力的理解可以说比较充分了，把教学中的两个大难点充分化解了。

通过演示实验，为学生学习静摩擦力提高了感性材料，学生通过观察、思考、抽象、概括等思维过程构建了静摩擦力、相对运动趋势、人走路时静摩擦力大小和方向变化的物理模型，为今后运用该模型解决实际物理问题提供了知识基础。