初中物理“摩擦力”的高端备课①

(首都师范大学 物理系，北京 100048)

摩擦力是初中物理较难掌握的概念之一，一直以来都是传统教学的重点和难点.因此，对摩擦力进行深入研究，彰显其物理本质与教学逻辑，就成为物理高端备课的重要内容.

1 现行教材的逻辑缺陷

人教版初中物理教材中首先给出滑动摩擦力的定义，然后通过两个实验，研究影响滑动摩擦力大小的因素.再围绕摩擦的利用与防止展开.这种方式体现了教材“突出重点”、力求“逻辑轻快”的教学思想.然而这种处理方式也存在诸多缺憾.

我们知道，摩擦力包括滑动摩擦力、静摩擦力和滚动摩擦力，对于后两种摩擦力，教材中没有进行任何讲解.在实验环节，教材选用了弹簧测力计进行测量，由于弹簧测力计本身存在测量不够稳定、数据不易观察的缺点，不能很好地呈现摩擦力的特点.在探究影响滑动摩擦力大小的因素时，教材只探究接触面所受压力和粗糙程度两个因素，对于其他因素却避而不谈，这不仅给学生带来学习上的困惑，同时使得探究深度不足.

由于教材对静摩擦力和滚动摩擦力的忽视，未能呈现给学生完整的知识结构；对实验探究缺乏深入的挖掘，导致学生不能全面理解摩擦力的本质.对这些问题，结合本节课教学特点，我们进行以下高端备课.

2 彰显教学逻辑的高端备课

基于上述分析，我们将摩擦力的教学分为三个部分：摩擦力的分类、影响滑动摩擦力大小的因素和摩擦力的应用(如图1).

图1

2.1 摩擦力的分类

2.1.1 静摩擦力

两个相对静止的物体间有相对运动趋势时产生的摩擦力叫做静摩擦力.由于初二学生的物理认知水平尚处于具体运算阶段，其运算离不开具体事物的支持，所以必须通过实验才能呈现给学生清晰的物理图像.考虑到摩擦力的大小不易测量，利用转换法，使物体静止或者做匀速直线运动，运用二力平衡的知识，通过拉力反映出摩擦力的大小.如前所述，由于弹簧测力计存在诸多不足，因此选用力传感器来取代弹簧测力计.实验时木块静置于水平桌面，将力传感器一端与木块相连，另一端用手拉力传感器(如图2).

图2

开始用很小的力拉，逐渐增加拉力的大小，木块虽然未动，但计算机屏幕上清晰地呈现出了拉力随时间的变化关系，也即静摩擦力随时间的变化关系(如图3).

图3

实验数据表明，在1.5～4.7s，随着拉力的增大，静摩擦力从0N不断增大；在4.7s时，木块将动但未动，这时静摩擦力达到最大，为9N.之后用手拉木块在水平桌面做匀速直线运动，木块与水平桌面间产生的摩擦力是滑动摩擦力.

2.1.2 滑动摩擦力

图4

当一个物体跟另一个物体有相对滑动时产生的摩擦力叫做滑动摩擦力.在木块做匀速直线运动阶段，滑动摩擦力的大小也是可以测量的(如图4).实验数据表明，在4.7～8s，滑动摩擦力的大小为6N.DIS系统能将摩擦力变化过程直观地以数字化显示出来，方便学生读取数据，并为学生呈现了静摩擦力和滑动摩擦力的变化规律与大小关系，可以清晰地看到滑动摩擦力为6N，小于9N的最大静摩擦力，两者并不相等，而且有一个突变，若不用力传感器是无法测量的.在匀速运动阶段，力传感器也能凭借其精确性测量到滑动摩擦力的大小有微小的浮动，间接反映了接触面是凸凹不平的，进而从微观角度阐释了摩擦力的产生机理，即物体相对运动时，接触面凹凸部分相互啮合，便产生了彼此阻碍的摩擦力.

2.1.3 滚动摩擦力

一个物体在另一个物体上滚动时产生的摩擦力叫做滚动摩擦力.滚动摩擦力比滑动摩擦力要小得多.例如滑旱冰时，旱冰鞋与地面间产生的摩擦力就是滚动摩擦力，由于受到较小的滚动摩擦力，所以人能在地面上快速滑行.

2.2 影响滑动摩擦力大小的因素

影响滑动摩擦力大小的因素是本节的重要内容.这部分的教学采用控制变量的科学方法，分别对压力大小、接触面粗糙程度和接触面积的大小进行探究实验，研究影响滑动摩擦力大小的因素.

2.2.1 压力对滑动摩擦力的影响

实验一：用力传感器匀速拉动木块，使它在水平桌面上滑动，通过拉力的大小测得滑动摩擦力；在木块上增放砝码，再用力传感器匀速拉动木块，使它在水平桌面上滑动，通过拉力的大小测得滑动摩擦力.比较加不同砝码时摩擦力的大小，研究压力对滑动摩擦力大小的影响.实验数据表明：接触面上的压力越大，滑动摩擦力越大.

2.2.2 粗糙程度对滑动摩擦力的影响

实验二：使用一个表面较粗糙的木板，用力传感器匀速拉动木块，使它在木板上滑动，通过拉力的大小测得滑动摩擦力.比较在不同木板上实验时摩擦力的大小，研究接触面的粗糙程度对滑动摩擦力大小的影响.实验数据表明：接触面越粗糙，滑动摩擦力越大.

2.2.3 接触面积对滑动摩擦力的影响

实验三：用同一木块的不同侧面接触水平桌面，用力传感器匀速拉动木块，使它在水平桌面上滑动，通过拉力的大小测得滑动摩擦力.实验数据表明：接触面积的大小对滑动摩擦力没有影响.这一结果往往与学生的直觉经验并不一致，因此，教学中应引领学生共同分析.

要解释这一点，应当把“摩擦力与接触面积的大小无关”和“摩擦力与压力的关系”统一起来考虑.也就是说，“摩擦力与接触面积的大小无关”是在“压力不变”的情况下说的.由于初中学生的思维往往具有片面的特征，针对接触面积对滑动摩擦力无影响的结论，如果不通过实验很难让他们接受.因此这一教学环节的重点就是，以实验现象引发学生的认知冲突，进而通过分析，从而达到对摩擦力的本质认识.

2.3 摩擦力的应用

摩擦力的应用体现了知识的应用价值.它不仅是对摩擦力概念的巩固，又担负着提高学生知识应用能力的任务，因此教学中应该力争呈现给学生一些新颖的实例.

2.3.1 减小有害摩擦

摩擦力在很多情况下是有害的，应设法减小.教学中可以向学生介绍磁悬浮列车的工作原理.对于磁悬浮列车，轨道对列车的磁力使之悬浮在空中，行驶时不接触地面，只受到空气阻力作用.具有相似原理的还有气垫船，它是一种以空气在船只底部衬垫承托的气垫交通工具.行驶时因为船身升离水面，船体所受到的阻力得到减小.两个“鲜活”的实例表明：使两个相互接触的表面隔开，也能减小摩擦.

2.2 增大有益摩擦

许多情况下摩擦又是有益的，人们常常设法增大它.根据压力和接触面粗糙程度对摩擦力的影响，可以实现增大摩擦.如鞋底、轮胎等设计成带有花纹的表面，下雪天汽车轮胎加挂防滑铁链，通过增大接触面的粗糙程度来增大摩擦；写字时用力、自行车刹车时捏紧车闸，通过增大压力来增大摩擦.

从生活中的实例入手，能够使学生主动参与到学习中，既做到学以致用，又能牢固地理解知识.

3 教学反思

3.1 强调直观教学原则

物理教学的直观性原则要求给学生提供尽可能多的具体形象.传感器作为物理实验技术发展的代表，能够充分调动学生的感官，运用形象化的教学手段揭示物理知识的发生、发展过程，实验效果直观、测量精准、并能够实时记录，使学生对物理现象的感知也深入得多.将DIS系统引入中学物理实验的教学中，不仅打破了传统实验仪器精密程度不高的瓶颈，提高了实验教学的效果，而且促使学生了解先进的科学技术.

3.2 重视训练学生思维

在教学中发展学生的思维能力，始终是教育理论和实践的一个重要问题.本节教学的探究实验中，探讨接触面积与滑动摩擦力的大小无关，在教学中大多教师不作介绍.在初中阶段，正是学生思维由具体运算阶段向形式运算阶段过渡的黄金时期，教学中教师尤其应该注意这个特点.针对教学中的难点，教师不应回避，而应通过直观的现象，将学生思维的片面性展现出来，通过认知冲突引发思考，这样才能使学生对知识的理解更加透彻，同时达到训练学生思维的目的.

3.3 注重教学的生态化

物理学是一门应用十分广泛的基础科学.在学习如何减小和增大摩擦的过程中，学生实际上就领略了知识的重要价值，不仅实现对知识的牢固掌握，同时还能提高学生的学习兴趣.由于现象是物理学的根源，因此摩擦力的应用教学就要为学生列举生活中的实例，如磁悬浮列车等，通过将先进的科技发明融入到具体的教学情境中，不仅使得教学与生活实际相联系，而且增加了课堂教学的有效性，并充分发挥了学生的主体作用，这样的教学关注了学生体验、感悟和实践的过程，从而为中学物理教学增添了时代感.

参考文献：

人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书 物理(八年级下册).北京：人民教育出版社，2012：23～26.

乔际平，邢红军.物理教育心理学.南宁：广西教育出版社，2002：30.