分類處理法在初中物理教學中的探究
——以《科學探究:摩擦力》課程教學為例

曾純貞

(福建省平潭第一中學,福建 福州 350400)

摩擦力問題是初中物理課程中的教學重點和難點,也是中考的常見考點.在《科學探究:摩擦力》中展開了對力學等有關科普知識的進一步探究.在該課程的教學過程中,教師希望通過分類處理法使學生更進一步認識摩擦力.對此,教師要梳理出學生解題過程中容易出現的常見錯誤,了解學生的思維方式,針對這些錯誤和不正確的思維方式來開展教學設計,進行實例分類和說明,幫助學生建構出全面完善的摩擦力知識體系.

1 初中物理摩擦力教學的難點分析

摩擦力在日常生活中的應用范圍很廣,生活中有很多摩擦力應用的實例,學生解題時存在的各種問題如下:一是不能正確判斷是否有摩擦力;二是誤認為摩擦力的方向與物理運動方向相反;三是將滑動摩擦力與靜摩擦力的計算方法混淆,不會計算摩擦力的大小.

導致學生存在上述疑問的根源,主要是因為課程內容中并未清晰地把滑動摩擦能力與靜態摩擦力區分開來進行介紹,而只是用摩擦力進行闡述概念,老師在講解過程中,也沒有細分處理,因此學生在面臨不同情境下的摩擦力時,無法正確處理問題.所以教師需要使用分類處理的方法來掌握并理解摩擦力.

2 摩擦力的產生條件

產生的共同條件是:

A.物體彼此相互接觸,而且因相互擠壓產生了彈性形變

B.兩物體的相互接觸面粗糙

C.兩物體之間有相對運動的趨勢或者發生相對運動

其中,C條件很容易讓學生將滑動摩擦與靜摩擦混淆在一起.解決策略主要有兩種:

策略1假設法

首先選取兩個接觸的物體,假設表面非常光滑,判斷物體有沒有出現打滑現象,如果沒有,說明原來就沒有相對運動趨勢,如果存在,則反之[1].

例1一根質量分布均勻的細棒斜著靠墻而立,細棒保持靜止,豎直墻壁十分光滑,水平地面凹凸不平,請問細棒受到了哪些力的作用?

圖1 例1題圖

解析先從豎直方向上分析,細棒受到的作用力分別是重力G和地面的支撐力N1;從水平方向分析,豎直墻壁對細棒施加了向右的支持力N2,豎直墻面光滑,表明墻面跟細棒的接觸點并無摩擦力;假如水平地面光滑,那么就沒有力和豎直墻壁對細棒施加的支持力N1保持平衡,細棒必然會向右滑行,但細棒保持靜止狀態,只有此時細棒下端要受一水平且向左的靜摩擦力f作用,才處于靜止狀態.所以細棒一共受了四個力的作用.如圖1所示.

策略2類比法

在處理同方向運動、相對靜止且接觸的兩物體之間有沒有摩擦力時,經常使用類比法來進行分析.眾所周知,在同一輛正常行駛的公共汽車內,站立的旅客因為安全因素往往必須用手抓住車廂頂部的橫桿形扶手.這可能有以下三個體驗:

在汽車起動或加速時,因為慣性,乘員身子要向后傾(注意車運動與乘客傾斜方向相反),而此時手將會沿著橫桿產生明顯的向后滑行的運動趨勢,因此抓住橫桿的手指會對車施加一個向后的拉力來“平衡”因為人與車出現相對運動趨勢而產生的靜摩擦力,此時人對橫桿的靜摩擦力向后,橫桿對人的靜摩擦力向前.

同理,在汽車前進中制動或降速時,因為慣性,乘客身子要往前傾(注意車運動與乘客傾斜方向一致),此時手將會沿著橫桿產生明顯的向前滑行的運動趨勢,因此抓住橫桿的手指也會對車施加一個向前的推力來“平衡”因為人與車出現相對運動趨勢而產生的靜摩擦力,此時人對橫桿的靜摩擦力向前,橫桿對人的靜摩擦力向后.

在汽車勻速直線運動時此時抓住橫桿的手指并沒有沿橫桿產生向前或向后滑的運動趨勢,也就是說,此時手指與橫桿之間并沒有靜摩擦力[2].

對比上面三種情況,將物體A、B疊放在水平面上且保持A與B整體處于相對靜止狀態時,A與B整體因為受到牽引力F的作用勻速向右運動.此時可以將B物體視作公交車,B物體上面的A視作乘客,當物體A和B向右加速運動時,因為慣性,物體A將出現沿物體B向左滑行的趨勢(根據類比此時方向相反),所以物體A和物體B之間會產生靜摩擦力,且B對A的靜摩擦力方向向右.物體B和地面之間則會產生滑動摩擦力,地面對B的滑動摩擦力方向向左;反之,如果A與B向右做減速運動,因為慣性,物體A將出現沿物體B向右滑行的趨勢(根據類比此時方向一致),所以物體A和物體B之間會產生靜摩擦力,且B對A的靜摩擦力方向向左.物體B和地面之間依舊存在地面對B向左的滑動摩擦力;當A和B保持勻速運動時,A和B之間沒有相對運動的趨勢,兩者之間不會產生靜摩擦力,但地面對B有向左的滑動摩擦力.

例2水平傳輸帶上的物體隨著傳輸帶一起向右移動,物體速度逐漸慢慢變大,可以分析物體所受到的力有( ).

A.重力、傳輸帶給的支持力

B.重力、對傳輸帶的壓力

C.重力、傳輸帶給的支持力、向右的摩擦力

D.重力、傳輸帶給的支持力、對傳輸帶的壓強

解析因為水平傳遞帶上的物體不斷向右移動且速度逐步變大,利用類比方法表明,物體有向左相對運動的趨勢,故水平傳輸帶對物體有向右靜摩擦力;物體在豎直方向上的重力大小跟傳輸帶提供的支持力大小相等,方向相反.故C正確.

3 關于摩擦力方向的判斷

對于滑動摩擦力來說,因為題目中的研究對象通常都是相對地面或是相對于地面上靜止的物體運動,所以研究的相對運動,如果物體運動方向可以斷定,物體所受的滑動摩擦力方向就和物體的運動方向相反.

對靜摩擦力來說,因為在題目的敘述中人們所認識到的物體(即研究對象)移動方向,通常是從研究對象周圍的相對于地面或相對于地面上靜止的其它物體來說的,而在研究對象和與它有直接聯系且產生靜摩擦力的物體之間并不會產生相應移動,而處于相對靜止.由于研究對象相對于接觸對象的相對運動趨勢的走向與人們所認識的運動方向不同,使得靜摩擦力方向可能跟物體運動方向相反,也可能跟物體運動的方向相同[3].

例3人往東邊走時,受到的摩擦力方向____.

解析人們所認識到的運動方向都是人開始相對于地面向東前行.人是依靠靜摩擦力來前進的,走路時腳底跟地面有向后運動的趨勢,此時腳底跟地面的相對運動趨勢朝西,所以靜摩擦力朝東.

例4在雜技選手勻速向上攀爬竹竿和順著竹竿勻速下降的二個動作中,對于運動員所受摩擦力的方向,以下說法相對的是( ).

A.都向上

B.都向下

C.爬竿時向下,下滑時向上

D.爬竿時向上,下滑時向下

解析當雜技選手勻速向上攀登竹竿時,不難看到運動員人體在上升,主要依靠的就是手指與竹竿之間的摩擦力,而此時由于手指緊密地握在竹竿上,雖不會相對于竹竿運動,但手指卻有著沿竹竿下降的趨向,所以在向上攀登竹竿時,每次握緊竹竿手指所得到的都只是靜摩擦力,靜摩擦力的方向和沿竹竿下滑趨勢方向相反,所以方向向上;當沿竹竿勻速滑動時,由于手指相對竹竿下滑,手指和竹竿間會產生滑動摩擦力,滑動摩擦力與物體相對運動的方向相反,所以答案選A.

4 關于摩擦力大小的求解

4.1 二力平衡法

假如物體在水平表面保持勻速直線運動,滑動摩擦力f的大小和物體受到的水平拉力F或推力F的大小是相等的,計算出F就等于計算出f,滑動摩擦力的大小也得以確定.

4.2 決定因素法

假如物體在運動過程中擠壓地面的壓力始終不變,接觸面的粗糙程度始終不變,那么物體和地面之間產生的滑動摩擦力也是固定不變的.此時物體不管是勻速運動,還是變速運動均不改變滑動時摩擦力的大小.

例5放在水平地板上的物體,受方向固定的水平拉力F作用,可以根據圖2中圖像F-t和v-t得到,當t=1 s時,物體受到的摩擦力是____N,當t=3 s時,物體受到的摩擦力是____N.

分析物體在水平方面接受水平拉力F和摩擦力f兩種作用力的影響,而在各個的具體時間階段摩擦力的特性也有所不同.

圖2 例5題圖

解析由v-t圖像可知,在0～2 s內,由于物體保持靜止狀態,所以均受靜摩擦力作用;在2～6 s內,不論物體進行加速運動還是保持勻速運動,物體都處于運動狀態,其受到的摩擦力都是滑動摩擦力.又由F-t圖像可知,在0～2 s內,物體受3 N水平拉力而保持靜止,根據二力平衡法來求解,在0～2 s內,靜摩擦力大小等于水平拉力F,為3 N;在4～6 s內,物體保持勻速直線運動,物體受到的滑動摩擦力也等于水平拉力F,大小為5 N;最后分析在2～4 s內,物體獲得了7 N的牽引力但做的是加速運動,根據“決定因素法”可知,物體對地面施加的壓力沒變,地面的粗糙程度沒變,所以滑動摩擦力依舊為5 N.所以,答案依次為3 N和5 N.

綜上可知,初中物理教材對摩擦力的分析介紹較為簡略,教師要圍繞該內容來進行補充完善,對摩擦力問題進行拓展延伸,全面深入地引導學生去分析摩擦力的分類、方向及大小計算等問題,如此才能幫助學生建構出完善的摩擦力知識結構體系.