高中摩擦力教学难点成因及对策

郭 强

(宁夏银川市第二中学,宁夏 银川 750001)

摩擦力是高中物理的“必备知识”,是培养学生学科素养和发展学生关键能力的重要载体.摩擦力也是高中物理受力分析和后续学习的重要基础,而摩擦力的学习更是一个难点,尤其在综合性较强的问题中往往会因为摩擦力分析不当而导致出错.在摩擦力教学中研究学生易错之处,分析教学难点成因,并找到有效教学对策,提高这一内容的教学质量,使学生在物理学习中获得较好的体验感,凸显物理学科育人价值.

1 摩擦力教学难点

在摩擦力教学中,发现学生在以下四个方面容易出错.

第一,摩擦力有无的判断.摩擦力产生条件较多,且有些条件较抽象,学生没有经过严谨推理分析,仅凭直观感觉容易判断出错.

第二,摩擦力方向的判断.判断摩擦力方向时学生受运动方向、物体叠加、运动状态等非本质因素的干扰而出错.

第三,摩擦力大小的计算.学生计算摩擦力时学生习惯性用f=μFN计算包括静摩擦力在内的所有摩擦力的大小,且认为FN=mg总成立,导致摩擦力大小计算错误.

第四,摩擦力作用效果分析.由于原有经验导致的思维定式,学生认为摩擦力总是阻力,使物体减速.

2 摩擦力教学难点成因

学生普遍觉得摩擦力难学,教师普遍觉得摩擦力难教,造成这一现实教学困惑的原因较多.

2.1 摩擦力概念过于抽象

摩擦力虽然生活中处处有,学生能感受到摩擦力作用效果,但是产生摩擦力的条件比较抽象,学生学习难度较大.滑动摩擦力产生条件两物体间有相对运动,摩擦力方向与相对运动方向相反,学生常将相对运动方向与运动方向混淆.静摩擦力概念中,物体是否有相对运动趋势,相对运动趋势方向,都难以判断.

2.2 概念表述冗长

摩擦力概念文字表述比较长、层级较多,一般分两个层级才定义摩擦力的概念,且要将摩擦力的产生条件和作用效果在概念中表述清楚.以滑动摩擦力概念为例,一般先定义滑动摩擦,然后再提出在滑动摩擦中产生阻碍物体相对运动的力叫摩擦力,导致学生理解时思维链条较长,容易造成学习困惑.

2.3 错误前概念太多

学习摩擦力之前学生根据已有的生活经验在头脑中产生了较多的错误前概念,主要有:运动方向就是相对运动方向;摩擦力是阻力,使物体减速;运动物体受到的摩擦力一定是滑动摩擦力,静止物体受到的摩擦力一定是静摩擦力;摩擦力的大小一定是f=μFN=μmg.

2.4 摩擦力的应用综合性强

与摩擦力应用有关的物理问题往往综合性较强,关联的知识较多.尤其是涉及到物体多运动过程时,与受力分析、牛顿运动定律、匀变速直线运动关联度较高,运用的知识点多,思维链条较长,尤其当物块在传送带、长木板上运动时,需要判断物体所受摩擦力方向大小有没有发生变化,甚至有可能需要分类讨论.在一些复杂的问题中,有时还需要根据牛顿第三定律转化研究对象.

3 应对策略

3.1 强化概念构建

基础知识是解决问题的前提,要突破摩擦力教学疑难需要强化概念构建、夯实基础知识,促进学生深刻理解概念的内涵及外延.

以学生乘坐高铁为例,上车后拖着木箱往向车厢尾部走去,列车开动后车速较大,让学生分析箱子的运动方向和相对运动方向.相对运动是列车为参考系,箱子相对运动方向向后,而运动方向则是以地面为参考系,车运动的速度大于人拖着箱子向后的速度,箱子运动方向向前.然后总结得出“相对运动方向的判断以摩擦力施力物体为参考系,运动方向则是以地面为参考系,摩擦力施力物体未必是地面”.另外,学习滑动摩擦力计算公式时,需要特别强调f=μFN是滑动摩擦力专用公式,FN是接触面的正压力,未必等于研究对象的重力,并列举正压力等于重力、不等于重力的例子,比如物体放在水平面上分别在水平推力、斜向上推力、斜向下推力的作用下运动,将物体放在斜面上运动等,并在学习牛顿第三定律后,利用二力平衡和牛顿第三定律分析为何物体置于水平面上在水平力作用下f=μFN=μmg,让学生掌握滑动摩擦力计算公式的本质,避免学生计算摩擦力大小时误用f=μmg.

3.2 创设情境增强体验

越是难的学习内容,越要构建情境,增强学生的学习体验,化解物理知识的抽象程度,降低学生理解知识的难度.通过学生能够亲身体验的探究活动、游戏,学生能够更好掌握知识.情境创设可以从学生熟悉的生活实例或者实验探究两个视角入手,使物理教学贴近学生原有经验、贴近学生学生学习需求.

关于走路时的摩擦力,学生有不少误解,最为典型的就是认为走路时的摩擦力是滑动摩擦力.课堂上可以让学生上台,用慢动作走路,然后教师对学生走路的慢动作进行分解、分析,并让其它同学模仿、感受走路时摩擦力何时产生?在那一只脚产生(是相对地面运动的脚运动的脚还是静止的脚)?通过体验学生可以明确知道人走路时,是相对于地面静止的脚有向后蹬的动作导致该脚有相对地面向后滑动的趋势从而受到向前的静摩擦力,而人向前迈步的脚没有受到摩擦力.

以学生乘坐高铁创设情境,制造认知冲突,突破学生“相对运动方向即为运动方向”的原有错误认知.在研究汽车与地面之间的摩擦力时候可以利用电动玩具小车,按照图1所示,在一块薄木板下放若干圆柱形铅笔,电动小车置于木板之上,启动小车,木板向后运动,小车向前,可知木板受到小车给的向后的摩擦力力,小车受到向前的木板给的摩擦力.为了进一步研究清楚小车前轮、后轮所受摩擦力的区别,可以进一步按照图2所示进行探究,将两块木板置于圆木铅笔之上,两木板上分别是后驱小车的前轮、后轮,启动小车,其前轮下的木板向前,受到向前的摩擦力,前轮(从动轮)受到的摩擦力向后(是阻力),后轮下的木板向后,其受到向后的摩擦力,后轮(主动轮)受到向前的摩擦力(是动力).本探究在学生学习牛顿第三定律后进行,分析过程更顺畅,学生更容易接受,具有更好的教学效果.

3.3 用反例创设认知冲突

认知冲突在物理教学中具有重要的价值.在物理教学中预设认知冲突,让学生通过课程的学习不仅简单学习、接受物理知识,更在冲突过程中形成怀疑,在认知上、在心理上产生不平衡,达到“愤悱”的心理状态,使学生在头脑中形成质疑和批判,形成积极主动的学习状态,激发学生的学习内驱力和学习兴趣[1].利用反例构建认知冲突,不仅可以快速否定论断,且打破原有认知平衡,让学生对知识的理解更透彻.反例可以来源于生活实例,也可以是学生解决问题积累的情境.

摩擦力教学中学生原有错误认知及反例如表1所示.

表1 学生认知错误及反例

3.4 变式教学掌握本质

物理教学中变式教学是促进学生掌握知识本质、发展思维品质的重要手段,也是突破教学疑难的常用策略.采用从简单情境开始,循序渐进逐步提升问题思维难度、情境复杂程度,有利于让学生掌握知识与方法,提升迁移能力.物理变式教学由于自身特点,可以循序渐进、由易到难,并通过“变”与“不变”的凸显、反复和对照,使得细致、精微的方法要素得以在变式的平台上有序地呈现 并展开教学[2].在摩擦力习题教学中,适合开展变式教学,促进学生在各种相似、相近情境的对照中夯实基础、掌握知识本质.以物块在传送带上的运动为例可以开展如下变式教学.

第一,如图3所示,传送带以速度v匀速运转,动摩擦因数为μ,物块质量为m.让学生分析物块刚放在传送带时所受摩擦力性质及方向.

图3 水平传送带 图4 倾斜传送带

第二,传送带够长,判断物块与传送带共速后物块所受摩擦力情况.

第三,传送带倾角为θ,动摩擦因数为μ,将物块无初速放在斜面底端,如图4所示,分析物块所受摩擦力情况.

第四,传送带够长,分物块与倾斜传送带共速后,物块所受摩擦力可能的情况.

第五,假设传送带倾角θ=37°,动摩擦因数μ=0.5,物块以6 m/s的速度从底端滑上传送带,若传送带顺时针运转的速度为6 m/s,传送带长5 m,将求物块到达传送带顶端的时间.

第六,将上一问中传送带顺指针运转的速度改为4 m/s,求物块到达传送带顶端的时间.

教学中需要创设情境,利用反例打破原有认知平衡,实现先破后立,让学生透彻理解摩擦力的概念、产生条件、方向判断方法、突破错误前概念,构建真知.摩擦力学懂弄通后受力分析才会少出错,后续学习和问题解决才能顺利进行.教学难点的突破,摸清学情至关重要,知道学生存在哪些错误前概念,学生在何处容易出错,并针对学生的错误和困惑采取有针对性的教学策略,改善学生的学习体验,促进学生学习效率的提升,有效突破教学疑难,为后续物理学习奠定基础.