“靜摩擦力的大小”教學片段的思考與創新設計

姚遠　周文

摘 要 靜摩擦力的大小是高中階段看似簡單，實則復雜的問題，是解決重疊物體臨界問題的基礎，只有清楚靜摩擦力的變化，才能清楚重疊物體問題中靜摩擦力和最大靜摩擦力的關系。本節課旨在通過實驗讓學生更直觀地感受靜摩擦力大小的變化，同時滲透科學思維方法、培養學生的科學探究能力。

關鍵詞 靜摩擦力的大小 實驗 科學思維 科學探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A

靜摩擦力是“摩擦力”一節中的前面一部分，學生在初中已經有了對摩擦力的部分認識，但卻沒有學習過靜摩擦力。而靜摩擦力大小的判斷又是高考常考的內容，特別是在重疊物體問題中需要比較靜摩擦力和最大靜摩擦力來判斷靜摩擦力的大小，這對學生的知識把控和科學推理能力都有較高的要求。靜摩擦力屬于被動力，它由物體所受到的其他力以及物體的運動狀態決定，因此，在教學中可以通過觀察外力的變化間接反映靜摩擦力大小的變化。

1 實驗器材及組裝

木架或鐵架臺，圓柱形塑料水杯，水，橡皮筋，木桿兩根。木架兩邊各一個十字架，固定在底座上，兩根桿兩端分別用橡皮筋相連（如圖1）并放置在十字架上。

2 實驗過程

（1）將水杯夾在兩根桿之間，橡皮筋處于伸長狀態，由于水杯形狀固定，故桿對水杯壓力大小不變。此時水杯靜止，即水杯兩側所受靜摩擦力的合力（以下簡稱水杯所受靜摩擦力）大小與水杯所受重力大小相等。

（2）向杯中加入一定量的水后（加水過程可利用虹吸裝置均勻、緩慢加水），水杯未動，此時水杯所受靜摩擦力的大小等于水杯與水所受重力之和。

（3）繼續加水，水杯仍然處于靜止狀態，受力依然平衡，但隨著外力的增加，間接反映了靜摩擦力大小的增加，靜摩擦力的大小是否會隨著外力的增大無限增大呢？

（4）持續加水直至水杯掉落，掉落瞬間水杯所受的靜摩擦力的大小達到最大值。可初步得出結論，在豎直方向上，物體所受靜摩擦力的大小隨外力的增大而增大，但不會無限增大，而是達到一個最大值。

3 實驗設計分析

從實驗中不難看出，該實驗還可以用以判定靜摩擦力產生的條件以及探究靜摩擦力的方向，不僅如此，實驗還驗證了使水杯靜止的力不是甘對它的壓力，而是靜摩擦力。

4 水平方向探究靜摩擦力的大小

前一實驗只是在豎直方向得到了初步結論，靜摩擦力的大小有一個最大值，即最大靜摩擦力，水平方向是否滿足？靜摩擦力的大小又如何變化？這一探究可利用DIS實驗完成。

4.1 實驗儀器及組裝

摩擦力試驗器，力傳感器，數據采集器，細線等。

導軌上放一塊板，板上放置一個重物，重物的左端用一根不可伸長的繩子連接在力傳感器上，傳感器固定在軌道上，如果給板施加一個向右的力而不拉動，板相對于重物就有向右的運動趨勢，反之，滑塊就有相對于板向左的運動趨勢，也就是說，重物受到一個向右的靜摩擦力，考慮到學生尚未學習作用力與反作用力，此處利用相對運動趨勢進行轉換。

重物又和左端的力傳感器連接，所以重物的左端還受到傳感器的拉力，當重物和板沒有發生相對滑動時，拉力和靜摩擦力就是一對平衡力，即可以用力傳感器上拉力大小的變化來表示靜摩擦力大小的變化。

4.2 實驗過程

調試實驗儀器，在電腦上建立力隨時間變化的坐標，從而看到力隨時間變化的圖像，針對板所受到的拉力（外力），筆者設計了三種實驗方案以供參考。

（1）注重學生體驗的設計。請一位學生上臺，對板施加一個逐漸增大的力的作用，隨著學生的拉力緩慢增加，可以在屏幕上看到反映靜摩擦力大小的圖像變化，可以看出靜摩擦力從0增加至最大靜摩擦力后突然減小。

（2）注重圖像直觀的設計。可在板的右端同樣增加一個力傳感器，同時將數據傳輸到數據采集器，施加一個逐漸增大的力的作用，在屏幕上可以看到拉力隨時間變化的圖像以及反映靜摩擦力大小的圖像。但是由于板不僅受到重物對它的靜摩擦力，還受到導軌對它的靜摩擦力，因此兩圖像不重合。

（3）注重實驗直觀的設計。可在導軌右端增加一定滑輪，板的右端通過細線跨過定滑輪連接一輕質的容器，通過虹吸裝置向容器中緩慢注水，可使對板的拉力逐漸增大。這一設計理論上可行，但對重物與板之間的接觸面的粗糙程度以及虹吸裝置中U形管的橫截面積都有嚴格要求，因此在實際教學中需特別注意。

4.3 實驗設計分析

實驗一方面得出水平方向靜摩擦力大小的變化，從而得出靜摩擦力大小的變化范圍。另一方面，通過對圖像的觀察，可以發現靜摩擦力達到最大值后突然減小，之后保持不變，替代了利用彈簧測力計探究最大靜摩擦力與滑動摩擦力的關系這一實驗，起到一個橋梁的作用。不僅如此，利用DIS輔助教學，既增加了課堂的趣味，有加深了學生對傳感器的認識。

5 總結

通過從豎直方向和水平方向對靜摩擦力的大小進行探究，探究過程符合學生的心理認知規律，既突出了學生的主體地位，又培養了學生的科學思維以及科學探究能力，達到了培養和發展學生核心素養的目的，實驗得可操作性強，但細微之處還需持續改進。

參考文獻

[1] 黃瑩.一個判定靜摩擦力的定性實驗[J].物理通報，2003.

[2] 包慧軍.基于物理核心素養導向的教學設計——以摩擦力教學為例[J].物理教學探討，2018.