分类处理法在初中物理教学中的探究——以《科学探究:摩擦力》课程教学为例

曾纯贞

(福建省平潭第一中学,福建 福州 350400)

摩擦力问题是初中物理课程中的教学重点和难点,也是中考的常见考点.在《科学探究:摩擦力》中展开了对力学等有关科普知识的进一步探究.在该课程的教学过程中,教师希望通过分类处理法使学生更进一步认识摩擦力.对此,教师要梳理出学生解题过程中容易出现的常见错误,了解学生的思维方式,针对这些错误和不正确的思维方式来开展教学设计,进行实例分类和说明,帮助学生建构出全面完善的摩擦力知识体系.

1 初中物理摩擦力教学的难点分析

摩擦力在日常生活中的应用范围很广,生活中有很多摩擦力应用的实例,学生解题时存在的各种问题如下:一是不能正确判断是否有摩擦力;二是误认为摩擦力的方向与物理运动方向相反;三是将滑动摩擦力与静摩擦力的计算方法混淆,不会计算摩擦力的大小.

导致学生存在上述疑问的根源,主要是因为课程内容中并未清晰地把滑动摩擦能力与静态摩擦力区分开来进行介绍,而只是用摩擦力进行阐述概念,老师在讲解过程中,也没有细分处理,因此学生在面临不同情境下的摩擦力时,无法正确处理问题.所以教师需要使用分类处理的方法来掌握并理解摩擦力.

2 摩擦力的产生条件

产生的共同条件是:

A.物体彼此相互接触,而且因相互挤压产生了弹性形变

B.两物体的相互接触面粗糙

C.两物体之间有相对运动的趋势或者发生相对运动

其中,C条件很容易让学生将滑动摩擦与静摩擦混淆在一起.解决策略主要有两种:

策略1假设法

首先选取两个接触的物体,假设表面非常光滑,判断物体有没有出现打滑现象,如果没有,说明原来就没有相对运动趋势,如果存在,则反之[1].

例1一根质量分布均匀的细棒斜着靠墙而立,细棒保持静止,竖直墙壁十分光滑,水平地面凹凸不平,请问细棒受到了哪些力的作用?

图1 例1题图

解析先从竖直方向上分析,细棒受到的作用力分别是重力G和地面的支撑力N1;从水平方向分析,竖直墙壁对细棒施加了向右的支持力N2,竖直墙面光滑,表明墙面跟细棒的接触点并无摩擦力;假如水平地面光滑,那么就没有力和竖直墙壁对细棒施加的支持力N1保持平衡,细棒必然会向右滑行,但细棒保持静止状态,只有此时细棒下端要受一水平且向左的静摩擦力f作用,才处于静止状态.所以细棒一共受了四个力的作用.如图1所示.

策略2类比法

在处理同方向运动、相对静止且接触的两物体之间有没有摩擦力时,经常使用类比法来进行分析.众所周知,在同一辆正常行驶的公共汽车内,站立的旅客因为安全因素往往必须用手抓住车厢顶部的横杆形扶手.这可能有以下三个体验:

在汽车起动或加速时,因为惯性,乘员身子要向后倾(注意车运动与乘客倾斜方向相反),而此时手将会沿着横杆产生明显的向后滑行的运动趋势,因此抓住横杆的手指会对车施加一个向后的拉力来“平衡”因为人与车出现相对运动趋势而产生的静摩擦力,此时人对横杆的静摩擦力向后,横杆对人的静摩擦力向前.

同理,在汽车前进中制动或降速时,因为惯性,乘客身子要往前倾(注意车运动与乘客倾斜方向一致),此时手将会沿着横杆产生明显的向前滑行的运动趋势,因此抓住横杆的手指也会对车施加一个向前的推力来“平衡”因为人与车出现相对运动趋势而产生的静摩擦力,此时人对横杆的静摩擦力向前,横杆对人的静摩擦力向后.

在汽车匀速直线运动时此时抓住横杆的手指并没有沿横杆产生向前或向后滑的运动趋势,也就是说,此时手指与横杆之间并没有静摩擦力[2].

对比上面三种情况,将物体A、B叠放在水平面上且保持A与B整体处于相对静止状态时,A与B整体因为受到牵引力F的作用匀速向右运动.此时可以将B物体视作公交车,B物体上面的A视作乘客,当物体A和B向右加速运动时,因为惯性,物体A将出现沿物体B向左滑行的趋势(根据类比此时方向相反),所以物体A和物体B之间会产生静摩擦力,且B对A的静摩擦力方向向右.物体B和地面之间则会产生滑动摩擦力,地面对B的滑动摩擦力方向向左;反之,如果A与B向右做减速运动,因为惯性,物体A将出现沿物体B向右滑行的趋势(根据类比此时方向一致),所以物体A和物体B之间会产生静摩擦力,且B对A的静摩擦力方向向左.物体B和地面之间依旧存在地面对B向左的滑动摩擦力;当A和B保持匀速运动时,A和B之间没有相对运动的趋势,两者之间不会产生静摩擦力,但地面对B有向左的滑动摩擦力.

例2水平传输带上的物体随着传输带一起向右移动,物体速度逐渐慢慢变大,可以分析物体所受到的力有( ).

A.重力、传输带给的支持力

B.重力、对传输带的压力

C.重力、传输带给的支持力、向右的摩擦力

D.重力、传输带给的支持力、对传输带的压强

解析因为水平传递带上的物体不断向右移动且速度逐步变大,利用类比方法表明,物体有向左相对运动的趋势,故水平传输带对物体有向右静摩擦力;物体在竖直方向上的重力大小跟传输带提供的支持力大小相等,方向相反.故C正确.

3 关于摩擦力方向的判断

对于滑动摩擦力来说,因为题目中的研究对象通常都是相对地面或是相对于地面上静止的物体运动,所以研究的相对运动,如果物体运动方向可以断定,物体所受的滑动摩擦力方向就和物体的运动方向相反.

对静摩擦力来说,因为在题目的叙述中人们所认识到的物体(即研究对象)移动方向,通常是从研究对象周围的相对于地面或相对于地面上静止的其它物体来说的,而在研究对象和与它有直接联系且产生静摩擦力的物体之间并不会产生相应移动,而处于相对静止.由于研究对象相对于接触对象的相对运动趋势的走向与人们所认识的运动方向不同,使得静摩擦力方向可能跟物体运动方向相反,也可能跟物体运动的方向相同[3].

例3人往东边走时,受到的摩擦力方向____.

解析人们所认识到的运动方向都是人开始相对于地面向东前行.人是依靠静摩擦力来前进的,走路时脚底跟地面有向后运动的趋势,此时脚底跟地面的相对运动趋势朝西,所以静摩擦力朝东.

例4在杂技选手匀速向上攀爬竹竿和顺着竹竿匀速下降的二个动作中,对于运动员所受摩擦力的方向,以下说法相对的是( ).

A.都向上

B.都向下

C.爬竿时向下,下滑时向上

D.爬竿时向上,下滑时向下

解析当杂技选手匀速向上攀登竹竿时,不难看到运动员人体在上升,主要依靠的就是手指与竹竿之间的摩擦力,而此时由于手指紧密地握在竹竿上,虽不会相对于竹竿运动,但手指却有着沿竹竿下降的趋向,所以在向上攀登竹竿时,每次握紧竹竿手指所得到的都只是静摩擦力,静摩擦力的方向和沿竹竿下滑趋势方向相反,所以方向向上;当沿竹竿匀速滑动时,由于手指相对竹竿下滑,手指和竹竿间会产生滑动摩擦力,滑动摩擦力与物体相对运动的方向相反,所以答案选A.

4 关于摩擦力大小的求解

4.1 二力平衡法

假如物体在水平表面保持匀速直线运动,滑动摩擦力f的大小和物体受到的水平拉力F或推力F的大小是相等的,计算出F就等于计算出f,滑动摩擦力的大小也得以确定.

4.2 决定因素法

假如物体在运动过程中挤压地面的压力始终不变,接触面的粗糙程度始终不变,那么物体和地面之间产生的滑动摩擦力也是固定不变的.此时物体不管是匀速运动,还是变速运动均不改变滑动时摩擦力的大小.

例5放在水平地板上的物体,受方向固定的水平拉力F作用,可以根据图2中图像F-t和v-t得到,当t=1 s时,物体受到的摩擦力是____N,当t=3 s时,物体受到的摩擦力是____N.

分析物体在水平方面接受水平拉力F和摩擦力f两种作用力的影响,而在各个的具体时间阶段摩擦力的特性也有所不同.

图2 例5题图

解析由v-t图像可知,在0～2 s内,由于物体保持静止状态,所以均受静摩擦力作用;在2～6 s内,不论物体进行加速运动还是保持匀速运动,物体都处于运动状态,其受到的摩擦力都是滑动摩擦力.又由F-t图像可知,在0～2 s内,物体受3 N水平拉力而保持静止,根据二力平衡法来求解,在0～2 s内,静摩擦力大小等于水平拉力F,为3 N;在4～6 s内,物体保持匀速直线运动,物体受到的滑动摩擦力也等于水平拉力F,大小为5 N;最后分析在2～4 s内,物体获得了7 N的牵引力但做的是加速运动,根据“决定因素法”可知,物体对地面施加的压力没变,地面的粗糙程度没变,所以滑动摩擦力依旧为5 N.所以,答案依次为3 N和5 N.

综上可知,初中物理教材对摩擦力的分析介绍较为简略,教师要围绕该内容来进行补充完善,对摩擦力问题进行拓展延伸,全面深入地引导学生去分析摩擦力的分类、方向及大小计算等问题,如此才能帮助学生建构出完善的摩擦力知识结构体系.