| 标题 | “静摩擦力的大小”教学片段的思考与创新设计 |
| 范文 | 姚远 周文 摘 要 静摩擦力的大小是高中阶段看似简单，实则复杂的问题，是解决重叠物体临界问题的基础，只有清楚静摩擦力的变化，才能清楚重叠物体问题中静摩擦力和最大静摩擦力的关系。本节课旨在通过实验让学生更直观地感受静摩擦力大小的变化，同时渗透科学思维方法、培养学生的科学探究能力。 关键词 静摩擦力的大小 实验 科学思维 科学探究 中图分类号：G633.7 文献标识码：A 静摩擦力是“摩擦力”一节中的前面一部分，学生在初中已经有了对摩擦力的部分认识，但却没有学习过静摩擦力。而静摩擦力大小的判断又是高考常考的内容，特别是在重叠物体问题中需要比较静摩擦力和最大静摩擦力来判断静摩擦力的大小，这对学生的知识把控和科学推理能力都有较高的要求。静摩擦力属于被动力，它由物体所受到的其他力以及物体的运动状态决定，因此，在教学中可以通过观察外力的变化间接反映静摩擦力大小的变化。 1 实验器材及组装 木架或铁架台，圆柱形塑料水杯，水，橡皮筋，木杆两根。木架两边各一个十字架，固定在底座上，两根杆两端分别用橡皮筋相连（如图1）并放置在十字架上。 2 实验过程 （1）将水杯夹在两根杆之间，橡皮筋处于伸长状态，由于水杯形状固定，故杆对水杯压力大小不变。此时水杯静止，即水杯两侧所受静摩擦力的合力（以下简称水杯所受静摩擦力）大小与水杯所受重力大小相等。 （2）向杯中加入一定量的水后（加水过程可利用虹吸装置均匀、缓慢加水），水杯未动，此时水杯所受静摩擦力的大小等于水杯与水所受重力之和。 （3）继续加水，水杯仍然处于静止状态，受力依然平衡，但随着外力的增加，间接反映了静摩擦力大小的增加，静摩擦力的大小是否会随着外力的增大无限增大呢？ （4）持续加水直至水杯掉落，掉落瞬间水杯所受的静摩擦力的大小達到最大值。可初步得出结论，在竖直方向上，物体所受静摩擦力的大小随外力的增大而增大，但不会无限增大，而是达到一个最大值。 3 实验设计分析 从实验中不难看出，该实验还可以用以判定静摩擦力产生的条件以及探究静摩擦力的方向，不仅如此，实验还验证了使水杯静止的力不是甘对它的压力，而是静摩擦力。 4 水平方向探究静摩擦力的大小 前一实验只是在竖直方向得到了初步结论，静摩擦力的大小有一个最大值，即最大静摩擦力，水平方向是否满足？静摩擦力的大小又如何变化？这一探究可利用DIS实验完成。 4.1 实验仪器及组装 摩擦力试验器，力传感器，数据采集器，细线等。 导轨上放一块板，板上放置一个重物，重物的左端用一根不可伸长的绳子连接在力传感器上，传感器固定在轨道上，如果给板施加一个向右的力而不拉动，板相对于重物就有向右的运动趋势，反之，滑块就有相对于板向左的运动趋势，也就是说，重物受到一个向右的静摩擦力，考虑到学生尚未学习作用力与反作用力，此处利用相对运动趋势进行转换。 重物又和左端的力传感器连接，所以重物的左端还受到传感器的拉力，当重物和板没有发生相对滑动时，拉力和静摩擦力就是一对平衡力，即可以用力传感器上拉力大小的变化来表示静摩擦力大小的变化。 4.2 实验过程 调试实验仪器，在电脑上建立力随时间变化的坐标，从而看到力随时间变化的图像，针对板所受到的拉力（外力），笔者设计了三种实验方案以供参考。 （1）注重学生体验的设计。请一位学生上台，对板施加一个逐渐增大的力的作用，随着学生的拉力缓慢增加，可以在屏幕上看到反映静摩擦力大小的图像变化，可以看出静摩擦力从0增加至最大静摩擦力后突然减小。 （2）注重图像直观的设计。可在板的右端同样增加一个力传感器，同时将数据传输到数据采集器，施加一个逐渐增大的力的作用，在屏幕上可以看到拉力随时间变化的图像以及反映静摩擦力大小的图像。但是由于板不仅受到重物对它的静摩擦力，还受到导轨对它的静摩擦力，因此两图像不重合。 （3）注重实验直观的设计。可在导轨右端增加一定滑轮，板的右端通过细线跨过定滑轮连接一轻质的容器，通过虹吸装置向容器中缓慢注水，可使对板的拉力逐渐增大。这一设计理论上可行，但对重物与板之间的接触面的粗糙程度以及虹吸装置中U形管的横截面积都有严格要求，因此在实际教学中需特别注意。 4.3 实验设计分析 实验一方面得出水平方向静摩擦力大小的变化，从而得出静摩擦力大小的变化范围。另一方面，通过对图像的观察，可以发现静摩擦力达到最大值后突然减小，之后保持不变，替代了利用弹簧测力计探究最大静摩擦力与滑动摩擦力的关系这一实验，起到一个桥梁的作用。不仅如此，利用DIS辅助教学，既增加了课堂的趣味，有加深了学生对传感器的认识。 5 总结 通过从竖直方向和水平方向对静摩擦力的大小进行探究，探究过程符合学生的心理认知规律，既突出了学生的主体地位，又培养了学生的科学思维以及科学探究能力，达到了培养和发展学生核心素养的目的，实验得可操作性强，但细微之处还需持续改进。 参考文献 [1] 黄莹.一个判定静摩擦力的定性实验[J].物理通报，2003. [2] 包慧军.基于物理核心素养导向的教学设计——以摩擦力教学为例[J].物理教学探讨，2018. |
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