“摩擦力”的實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計王軍暉姚小君（浙江省余姚中學(xué)315400）摘要：科學(xué)探究是一種學(xué)習(xí)方式，是學(xué)習(xí)目標(biāo)，也是學(xué)習(xí)內(nèi)容；教學(xué)中對學(xué)生探究行為的設(shè)計是提高探究能力的關(guān)鍵，如要提高制定計劃和設(shè)計實(shí)驗(yàn)的能力，就要讓學(xué)生去優(yōu)選實(shí)驗(yàn)方法、去選擇實(shí)驗(yàn)器材、去分析和控制變量、去評價現(xiàn)有的方案；科學(xué)探究的行為應(yīng)滲透在整個物理教學(xué)中；學(xué)生的自主探究和教師的合理指導(dǎo)要相結(jié)合?！皩?shí)驗(yàn)探究法”是在教師指導(dǎo)下，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以探究為主線，包含提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃、收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作等探究的七個環(huán)節(jié)，通過學(xué)生自主地實(shí)驗(yàn)操作、觀察來認(rèn)識物理現(xiàn)象、認(rèn)知物理過程，探究物理規(guī)律，獲得知識，形成技能的一種教學(xué)方法。而摩擦力的教學(xué)包含了豐富的探究內(nèi)容，本文通過“實(shí)驗(yàn)探究法”對“摩擦力”的進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。關(guān)鍵詞：摩擦力實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計摩擦力分為靜摩擦力、滑動摩擦力和滾動摩擦力三種。中學(xué)主要學(xué)習(xí)靜摩擦力和滑動摩擦力。摩擦力的教學(xué)包含了豐富的探究內(nèi)容，如，（1）靜摩擦力的大小是一個恒定的力嗎？（2）靜摩擦力的取值范圍是由什么來決定的？（3）怎樣來求解靜摩擦力的大??？（4）靜摩擦力的方向如何確定？（5）滑動摩擦力的大小與什么因素有關(guān)？（6）滑動摩擦力的大小與哪些因素有什么樣的關(guān)系？（7）滑動摩擦力的計算公式是怎樣的？（8）滑動摩擦力的計算中心公式f=μFN，式是FN的大小就是物體所受到的重力大小嗎？等等這些都可以設(shè)計成探究教學(xué)。學(xué)生在初中學(xué)習(xí)了這部分內(nèi)容，所以對摩擦力有一定的知識基礎(chǔ)，設(shè)計探究時可以與學(xué)生的原有知識發(fā)生作用，這樣更可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使探究更加順利地進(jìn)行。下面我們通過“實(shí)驗(yàn)探究法”分四個層次對摩擦力進(jìn)行探究。一、探究靜摩擦力1.提出問題靜摩擦力的大小是一個恒定的力嗎？靜摩擦力的取值范圍是由什么來決定的？怎樣來求解靜摩擦力的大??？靜摩擦力的方向如何確定？2．實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如圖一，在水平桌面上放上一物塊，通過定滑輪在兩邊各掛上三個相同的鉤碼。（1）將右邊的一個鉤碼拿去，猜猜看，物塊向哪個方向移動？讓幾個學(xué)生親手做一下。若將右邊的鉤碼拿去兩個、三個，情況又如何？（在這時引入靜摩擦力的概念）。（2）將右邊拿走的鉤碼一個一個地掛在左邊，又將觀察到什么現(xiàn)象？（3）用什么方法來求解靜摩擦力？靜摩擦力是一個恒定的力嗎？這個情境創(chuàng)設(shè)得有新意，能激發(fā)學(xué)生興趣，引起學(xué)生思考。圖一在這個探究中，運(yùn)用了學(xué)生了解的二力平衡知識來講述什么是靜摩擦力以及靜摩擦力的大小和方向。讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識到靜摩擦力隨拉力增大而增大，并有一個最大值，靜摩擦力取值于零和一個最大值之間，具體多大要由物體受的其他力的情況來決定。二、探究摩擦力與什么因素有關(guān)1．猜想與假設(shè)與材料、壓力、受力面積、接觸面的粗糙程度、與速度的大小。。。。。。有關(guān)情景創(chuàng)設(shè)：如果學(xué)校即將舉行拔河比賽，請設(shè)計一下，如何增加贏的幾率？學(xué)生會說：（1）讓個子高大的同學(xué)參加比賽，力氣大，容易贏（2）讓個子高大的同學(xué)參加比賽體重大，不易被拉動，容易贏（3）讓參加比賽的人都穿上釘鞋，鞋子不易打滑，容易贏。（4）拔河時身體向后仰，容易使上勁，容易贏。（5）。。。。。。2．實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（1）從前排抽一位身材矮小的女同學(xué)和后排身材高大的一位男同學(xué)進(jìn)行拔河比賽，女同學(xué)很輕松的被拉過了河。（2）讓男同學(xué)鞋底墊上表面比較光滑的油光紙，男同學(xué)被拉過了河。兩位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)，說明拔河時，決定能否被拉過河的因素是什么？決定于人所受拉力及地面摩擦力的大小。說明摩擦力大小跟接觸面之間的壓力和接觸面之間的粗糙程度有關(guān)。那么它們之間到底存在怎樣的關(guān)系？3．驗(yàn)證猜想引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定摩擦力與正壓力、接觸面性質(zhì)之間的關(guān)系。如何測量摩擦力的大小？彈簧秤拉力何時等于摩擦力大??？如何改變接觸面間壓力？如何改變接觸面性質(zhì)？根據(jù)老師的提問和提示，換幾個學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)所需器材，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案。當(dāng)我們研究的量可能跟多個變量有關(guān)時，需要采用控制變量法來實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖二：圖二1.用天平稱出木塊質(zhì)量M1，將木塊放在木板一端，通過彈簧秤對其緩慢使力，開始木塊隨著彈簧秤拉力的增大并不滑動，直到增加到某一數(shù)值時FM1，突然開始滑動，讓木塊勻速滑動，彈簧秤讀數(shù)保持某一數(shù)值F12．在木塊上增加砝碼，砝碼和木塊總質(zhì)量M2，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到Fm2和F23．繼續(xù)增加砝碼，得到M3，F(xiàn)m3和F34．在木板上墊上毛巾，重復(fù)實(shí)驗(yàn)1，得到Fm4和F4。4．結(jié)果分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)提出靜摩擦力，滑動摩擦力，最大靜摩擦力概念。從實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，再換幾個學(xué)生填下表數(shù)據(jù)1234重力G壓力FN滑動摩擦力F滑動摩擦力和最大靜摩擦力大小比較F／FN提問：從上述數(shù)據(jù)可以說明什么問題？得到結(jié)論：最大靜摩擦力大于滑動摩擦力，當(dāng)接觸面一定時，滑動摩擦力跟正壓力比值一定，該比值反映接觸面的性質(zhì)，稱為動摩擦因素?；瑒幽Σ亮Υ笮「龎毫Τ烧?，跟動摩擦因素成正比。讓學(xué)生參與，通過力傳感器和數(shù)字化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以很直觀得到摩擦力隨時間的變化圖象。FM1FM1F10Ft圖三實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)彈簧秤讀數(shù)不穩(wěn)，如何改進(jìn)？可以固定彈簧秤，緩慢移動木板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。引出摩擦力方向與物體相對運(yùn)動方向相反，強(qiáng)調(diào)“相對”。根據(jù)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)得出滑動摩擦力和靜摩擦力方向.通過以上實(shí)驗(yàn)，思考如何求解靜摩擦力？如何計算滑動摩擦力？最大靜摩擦力跟什么因素有關(guān)？摩擦力產(chǎn)生的條件？經(jīng)過學(xué)生討論，得出正確結(jié)論。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究所得進(jìn)一步體會拔河比賽問題。通過這兩個實(shí)驗(yàn)探究可以得到，相互接觸的兩個物體的材料不同或接觸面的粗糙程度不同，這個常數(shù)也不同。我們把這個常數(shù)叫做動摩擦因數(shù)，用來表示，所以有或即：兩個物體間的滑動摩擦力的大小跟這兩個物體表面間的壓力大小成正比。三、進(jìn)一步探究1.提出問題滑動摩擦力的計算公式f=μFN中FN的大小就是物體所受到的重力嗎？2．實(shí)驗(yàn)探究上面的探究實(shí)驗(yàn)中，得到長方體木塊與木板的動摩擦因數(shù)（設(shè)為μ1）。θ再讓別的學(xué)生進(jìn)行探究，如圖四，把長方體木塊放在傾斜的木板上，反復(fù)調(diào)整傾斜角度θ角，使木塊在輕輕推動后能沿斜面勻速下滑。此時沿斜面方向木塊所受到的合外力為零，即重力沿斜面向下的分力與木塊受到的摩擦力大小相等，也即：mgsinθ=μFN，如果FN=mg，則μ=sinθ，測出θ并算出sinθ的值，由于是既定的兩個已知材料接觸，應(yīng)該有μ=sinθ=μ1，但實(shí)驗(yàn)測得：μ=sinθ≠μ1，所以FN≠mg。圖四θ本探究的目的是要學(xué)生理解公式中的FN是壓力而不是重力。四、聯(lián)系實(shí)際“做一做”活動一：如圖五將兩本書，一頁一頁交叉地疊在一起，然后用力向兩邊拉，比較薄的兩本書與厚的兩本書用力拉的情況，體會摩擦力的大小與什么有關(guān)。圖五活動二：讓幾個學(xué)生走路，體會腳與地面相對運(yùn)動趨勢方向，體會前腳、后腳受到摩擦力的方向?；顒尤阂粋€學(xué)生手握瓶子，另一個用力向下抽取瓶子，握緊后再抽，體會最大靜摩擦力的變化，與什么因素有關(guān)?；顒铀模河^看錄像片減小摩擦的實(shí)例磁懸浮列車減小摩擦的原理教師總結(jié)，并布置課外小論文《假如生活中沒有摩擦》綜上所述，“摩擦力”實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計是一個由定性的了解到定量的計算、由簡單的現(xiàn)象出發(fā)到本質(zhì)認(rèn)識的完整探究，整個探究由淺入深，一直保持學(xué)生的探究欲望。另外，本實(shí)驗(yàn)探究的器材簡單、操作簡便，問題情境的設(shè)置有創(chuàng)意，能激發(fā)學(xué)生興趣、引起發(fā)學(xué)生思考；整個探究過程，學(xué)生自主動手實(shí)驗(yàn)、感悟的機(jī)會多，并且只要教師簡單的引導(dǎo)，學(xué)生就可以完成整個探究活動，學(xué)生可以獲得一定的成就感，這對學(xué)生以后對物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)熱情都將起到積極的作用。在探究滑動摩擦力大小與壓力及材料有什么樣的關(guān)系時，采用了物理學(xué)中常用的用比值法定義物理量的方法來進(jìn)行，還有采用控制變量法來實(shí)驗(yàn)，這樣處理既使問題的解決顯得自然，又滲透了物理方法。這一節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，安排了學(xué)生猜想、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)探究、合作交流等教學(xué)過程，讓學(xué)生經(jīng)歷探討滑動摩擦力與壓力、接觸面粗糙程度有關(guān)的過程。讓學(xué)生在體驗(yàn)知識的形成、發(fā)展過程中，主動獲取知識，因此“實(shí)驗(yàn)探究法”克服了傳統(tǒng)教學(xué)中教