创设情景 化解摩擦力难点

姚小琴 蔡才福

(南京外国语学校,江苏 南京 210000)

摩擦力教学难点形成的原因主要是因为摩擦力具有3个特性,即摩擦力的矢量性、被动性和突变性,学生难于理解这3个特性．教师有目的地创设与3个特性相关的典型情景,并引导学生对具体情景进行分析、总结,从而加深对摩擦力3个特性的理解,是化解摩擦力教学难点的有效手段．本文就摩擦力的3个特性,结合平时教学设计的一些情景,对摩擦力问题进行归类分析,这类分析有助于培养学生思维的条理性、严谨性和深刻性,有助于提高学生分析问题、解决问题的能力．

1 摩擦力的矢量性

由于滑动摩擦力的方向在很多情况下与物体运动方向相反,学生在学习滑动摩擦力时,就误以为滑动摩擦力的方向总是与物体运动方向相反,并形成思维定势,有的教师不断强调滑动摩擦力的方向与相对运动的方向相反,但实际教学收效甚微,笔者在教学中创设了以下情景,采用递进式设问,取得了良好的教学效果．

图1

情景1:如图1所示,质量为m的物块放在水平放置的钢板C上,物块与钢板间的动摩擦因数为μ．由于固定光滑导槽A、B的控制,物块只能沿水平导槽运动．现使钢板以速度v1向右运动,同时用力沿导槽的方向拉动物块,使物块沿导槽A、B,以速度v2匀速运动,求水平拉力F的大小．

大多数学生错误地认为物块所受摩擦力的方向与物块运动方向相反,力F与摩擦力平衡,F=μmg．针对这种情况,笔者设计了以下递进式问题.

问题1:物块与什么物体发生摩擦?

学生回答:物块与钢板发生摩擦．

问题2:站在钢板上看(以钢板为参照物),物块向什么方向运动?

学生回答:在俯视图中向左下方运动．

问题3:物块所受滑动摩擦力方向如何?

学生回答:滑动摩擦力斜向右上方,与相对运动方向相反,与水平向右方向夹角为

图2

物块在水平面内的受力如图2所示．

问题4:滑动摩擦力的大小为多少?

学生回答:滑动摩擦力的大小f=μmg.

问题5:水平拉力F的大小为多少?

学生回答:由水平面内物块的受力分析可得

通过此具体情景的分析,学生深刻地认识到，滑动摩擦力的方向不是与物体运动方向相反,而是与物体相对运动的方向相反,并且是相对于与其发生摩擦的物体.

2 摩擦力的被动性

图3

由于摩擦力的有无以及摩擦力的大小均依赖于其他因素,如物体的受力情况、运动情况、运动趋势等等,因此,摩擦力具有被动性．一般情况下,受力分析时摩擦力放在重力、电场力、磁场力、弹力后面分析,滑动摩擦力依赖于正压力,当正压力发生变化时滑动摩擦力也随之变化,学生在学习时认识不到这个深度,求解这类问题时常常出错,针对这种情况,笔者设计了以下情景.

情景2:如图3所示,一个带正电质量为m、电荷量q的小物块沿一个固定的竖直的木板以初速度v0竖直向下滑动,物块与木板间的动摩擦因数μ为小于1的常数．物块和木板均处垂直纸面向外的匀强磁场中．物块运动的v-t图像可能的是

图4

在求解本题时,大多数学生都会漏选,有的学生甚至错选(A)选项．针对这种情况,笔者设计了以下递进式问题.

问题1:物块下滑过程中受几个力?

学生回答:物块受重力、洛伦兹力、木板对物块的支持力、木板对物块向上的摩擦力．

问题2:如果物块运动速度大小变化了,洛伦兹力会不会随之变化?

学生回答:因为F洛=qvB,所以洛伦兹力会随速度大小的变化而变化．

问题3:物块所受木板的支持力会不会随洛伦兹力的变化而变化?

学生回答:因为FN=F洛,所以支持力会随洛伦兹力的变化而变化．

问题4:滑动摩擦力会不会随支持力的变化而变化?

学生回答:因为Ff=μFN,所以滑动摩擦力会随支持力的变化而变化．

在弄清了这几个问题以后,学生很快得出了正确的答案,本题应选择(B)、(C)、(D)选项．通过对此情景的分析,学生对摩擦力的被动性有更深刻的认识，对受力分析的顺序也有了更深层次的理解.由于弹力的被动性,应放在分析过重力、电场力、磁场力等主动力后分析,而摩擦力依赖于弹力,被动性更强,应该放在弹力之后分析．

3 摩擦力的突变性

摩擦力有时会突变，每次碰到这类问题总有大量学生出错,有的教师把这一现象归因于学生“粗心”,其实,这一现象的真正原因是我们教学过程中处理不到位．针对这种情况笔者设计了摩擦力突变的多种情景,从这些情景分析可知,摩擦力发生“突变”并不是空穴来风,它有发生的前提条件,抓住了这些前提条件,就不容易疏忽摩擦力的突变．

图5

情景3:如图5所示,水平传送带以a1=0.5m/s2的加速度水平向右运动,传送带两端距离为s=14m,将一质量为m的物体轻放在传送带左端A,此时传送带的瞬时速度为v0=1m/s,已知传送带与物体间的动摩擦因数为μ=0.1,求物体从传送带一端运动到另一端所需时间．

学生错解:物体放上传送带后,物体受摩擦力方向水平向右,f=μmg,根据牛顿第二定律a2=μg=1m/s2, 物体在传送带上做匀加速直线运动,设历时t物体到达传送带的另一端．则

针对这种情况,笔者设计了以下反思式问题.

问题1:物体加速到传送带右端时速度为多少?

问题2:物体最终被传送带带动到速度超过传达带的速度,这种情景可能吗?

学生回答:不可能.

问题3:此情形说明传送带带动物体的滑动摩擦力能不能一直存在?如果不能,滑动摩擦力何时消失?

学生回答:滑动摩擦力不能一直存在,当物体与传送带速度相同时,滑动摩擦力消失．

问题4:滑动摩擦力消失后,物体是否匀速运动?

学生回答:不是匀速运动,因为传送带仍在加速,仍然会“带动”物体．

问题5:此后传送带“带动”物体的是什么力?

学生回答:静摩擦力．

分析清楚这几个问题以后,学生很快得出物体在传送带上经历了两段加速运动过程,前一段加速过程中动力是滑动摩擦力,后一段加速过程中动力是静摩擦力,当物体加速到与传送带速度相同的时刻,两者之间由相对运动“突变”为相对静止,摩擦力由滑动摩擦力“突变”为静摩擦力．理解了摩擦力的“突变”,学生通过计算迅速得出总时间t=t1+t2=6s的正确结论．

物理教学中,教师不仅要把结论交给学生,更重要的是创设出生动、典型的情景,帮助学生深刻地理解概念、掌握规律．突破摩擦力教学难点的情景很多,由于篇幅的限制,仅各举一例,以餐读者．