談談斜面上的“物理”

趙立彬??

摘要：在物理教學中，八年級物理下冊已經將我們帶入了斜面的情境，在這樣的情境下，我們該如何思考問題呢？首先學生要搞清楚斜面與水平面之間的物理量變化情況，其次是弄清各物理之間的內在聯系；換言之，就是讓學生理解斜面情境下的“物”與“理”。本文探討了與斜面有關的初中物理力學問題及其相關的物理規律。

關鍵詞：物理教學；斜面；力學問題；物理規律

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2017）13-017-1

一、斜面上物體的受力探究

教材在“活動84：判斷重力的方向”告訴我們：物體重力的方向是豎直向下的，與斜面的傾斜角無關；而在“活動91：觀察與作圖”中告訴我們：壓力垂直作用于帆布（相當與斜面）表面，其方向與斜面的傾斜角有關。所以，這兩個力的方向是不同的。

什么原因呢？這兩個力產生的原因是不同的。重力是由于物體受到地球的吸引而產生的，所以，重力的方向（重力只是萬有引力的一個分力！）大致指向地心，即豎直向下，因此與斜面的傾斜程度無關；而壓力是由于兩個物體相互接觸并擠壓而產生的彈力，因此彈力的方向與接觸面的方向有關。斜面上的物體由于受到重力作用，具有向下運動的趨勢，而斜面阻礙了物體在豎直方向上下落，因此物體就會對斜面有彈力的作用，此力垂直作用于斜面向下，即物體對斜面的壓力，所以，兩個力方向不同；同時，兩個力作用點和大小也不同，由兩個力產生的原因可知：重力的作用點是在該物體的重心上，壓力的作用點則是在斜面上；重力的大小與物體的質量成正比，而此時壓力源于重力，它是重力在垂直作用在斜面方向上的一個分力的作用效果，壓力的大小（F=mgcosθ）隨斜面傾斜角的增大而減小，且壓力小于重力，而只有在水平面上時，壓力的大小才等于重力的大小。

靜止在斜面上的物體還會受到斜面對物體的支持力，它與物體對斜面的壓力是一對相互作用力，因此分別作用在斜面和物體上的這兩個力的大小相等，方向相反，作用在同一條直線上；由于靜止在斜面上的物體有向下滑動的趨勢，且斜面并不光滑，物體還會受到斜面阻礙物體向下滑動的摩擦力（f=μmgcosθ），它的大小與物體的重力，斜面的傾斜角度和斜面的粗糙程度有關。物體受到的支持力與物體運動方向始終垂直，因此支持力不做功；而摩擦力與運動方向相同或相反，因此物體運動過程中會有機械能和內能的變化，這樣就便于教材設置相關的物理情景實驗。

二、斜面上物體的“力與運動”

教材在“活動105探究阻力對物體運動的影響”和“活動121探究動能大小與哪些因素有關”中都要求控制和改變小車進入水平面時的速度，那么斜面是如何能改變小車速度呢？

首先要知道靜止在斜面上的小車為什么會下落，這是因為小車受到重力，支持力和摩擦力，由于這三個力并不平衡，即小車受到非平衡力的作用，運動狀態將會改變。由于斜面阻礙了小車豎直下落，使得小車只能沿斜面下落。當斜面的傾斜角和小車相對于斜面的粗糙程度不變時，小車的加速度a=（gsinθ-μgcosθ）也隨之確定不變，它與小車的質量無關。當小車從某一高度靜止下落（初速度為0），由于小車的加速度不變，所以小車進入水平面時的速度v=2as（s為物體沿斜面下落的長度），可知，此時小車進入水平面時的速度就與物體沿斜面下落的長度和小車的加速度有關，與小車的質量無關。因此，我們讓“質量不同的小車從同一斜面的同一高度靜止釋放”就很好的解決了“小車進入水平面時的速度相等”這個問題，如果想要改變進入水平面時的速度大小，那么我們只需要改變小車釋放時的高度（或釋放時小車沿斜面下落的長度）。

三、斜面上物體的能量轉化

教材在“活動115探究斜面（如右圖）”中得出結論：使用斜面不能省功，但可以省力。同時說明沒有既省力又省距離的機械，這是為什么呢？現在我們從能量轉化角度去分析。

將小車沿斜面拉上一定高度的過程中，小車受到四個力的作用，其中小車受到的支持力與小車運動的方向時刻垂直，所以小車受到的支持力并不做功。小車所受拉力做的功將外界能量轉化為小車的機械能，同時小車在運動的過程中，受到摩擦力的作用，克服摩擦阻力做功，就有部分機械能轉化為內能，由功能關系可知：FS=GH+fS，由此可得FS>GH，就是說使用斜面不能省功；如果不考慮小車受到的摩擦力的影響，則FS=GH，對于斜面而言，S>H即有F

教材在“活動122小明腳踩滑板從高處滑下”，其實就是在說明物體的重力做功時，物體的高度逐漸下降，物體的速度逐漸加快，與物體高度有關的能量（重力勢能）減小，與物體運動有關的能量（動能）增大，即重力勢能轉化為動能。小明下降的高度越大，重力勢能轉化為動能也越大，小明到達斜坡低端時的速度就越大。相反，如果小明以一定的速度滑上斜坡時，他上升的高度與其速度有關，滑上斜坡前的速度越大，小明上升的高度也越大，這時動能轉化為重力勢能，能量被儲存起來了。這就很好的解釋了教材121的課后一道習題：上海明珠線車站的設計方案，與站臺連接的軌道有一定坡度，請從節能的角度，分析這種設計的優點。

綜上所述，物理知識來源于實踐，特別是來源于觀察和實驗。因此要認真觀察物理現象，分析物理現象產生的條件和原因。要認真做好學生物理實驗，學會使用儀器和處理數據，了解用實驗研究問題的基本方法。要通過觀察和實驗，有意識地提高自己的觀察能力和實驗能力，也就是說真正意義上弄清“物”與“理”，只有這樣才能做好初高中物理的銜接和轉變工作。希望本文能夠為初高中銜接起到拋磚引玉的作用。