克服思維定勢(shì) 透析摩擦力

沈文娣

摩擦力是初中物理力學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生普遍反映摩擦力學(xué)習(xí)有難度，個(gè)別學(xué)生甚至是“談摩色變”，患上了“恐摩癥”。究其原因，除學(xué)科本身的特點(diǎn)外，還跟學(xué)生的思維定勢(shì)有關(guān)。思維定勢(shì)（Thinking Set） 是指由先前的活動(dòng)而造成的一種對(duì)活動(dòng)的特殊的心理準(zhǔn)備狀態(tài)，或活動(dòng)的傾向性。在環(huán)境不變的條件下，定勢(shì)使人能夠應(yīng)用已掌握的方法迅速解決問題，而在情境發(fā)生變化時(shí)，它則會(huì)妨礙人采用新的方法。隨著教改的深入，很多教師也認(rèn)識(shí)到研究學(xué)生思維規(guī)律的重要性。針對(duì)學(xué)生產(chǎn)生的困惑，筆者在分析他們思維特點(diǎn)的基礎(chǔ)上做了一些梳理和思考，并在教學(xué)實(shí)踐中做了有益的嘗試和探索。

一、摩擦力方向和物體運(yùn)動(dòng)方向一定相反嗎

“物理來(lái)源于生活，應(yīng)用于生活。”初一學(xué)生在學(xué)習(xí)摩擦力之前，已經(jīng)對(duì)摩擦力有了初步的概念。這種先入為主的片面甚至是錯(cuò)誤的“前概念”阻礙了物理概念的正確形成。他們認(rèn)為，摩擦力就是阻礙物體運(yùn)動(dòng)的力，那么想當(dāng)然地：摩擦力的方向與物體的運(yùn)動(dòng)方向相反。學(xué)生對(duì)這種所謂的“前概念”有強(qiáng)烈的心理傾向，甚至心理固執(zhí)。教材對(duì)摩擦力方向作了簡(jiǎn)潔、科學(xué)地描述：“摩擦力方向與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反”。但初一學(xué)生往往理解有誤：其一，把“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”等同于了“運(yùn)動(dòng)”。相對(duì)運(yùn)動(dòng)是指研究對(duì)象相對(duì)于接觸的另一物體（即參照物）而言的，與周圍其他物體無(wú)關(guān)。例如，一木塊受到水平向右的拉力，在水平桌面上運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是指研究對(duì)象“木塊”相對(duì)于接觸面“桌面”在向右運(yùn)動(dòng)，木塊就受到桌面施加的向左的摩擦力。這個(gè)結(jié)論跟學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)相吻合，學(xué)生覺得易于理解和接受。在實(shí)際練習(xí)中，我們經(jīng)常會(huì)碰到摩擦力方向和物體運(yùn)動(dòng)方向一致的情況，學(xué)生覺得難以理解。其二，對(duì)“相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)”理解透徹。“相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)”是物體“想動(dòng)而未動(dòng)”的狀態(tài)，確實(shí)不如“相對(duì)運(yùn)動(dòng)”直觀，具有很強(qiáng)的隱蔽性，學(xué)生分析起來(lái)較困難。

例1：如下圖所示，物體A疊放在物體B上，水平地面光滑，外力F作用于物體B上使它們一起運(yùn)動(dòng)，試分析兩物體受到的摩擦力的方向。

錯(cuò)解：物體A、B都受到向左的摩擦力。

分析：本題中假設(shè)A、B間接觸面是光滑的，當(dāng)F使物體B向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體A由于慣性， A相對(duì)于B有向左的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，所以A受到B施加的水平向右的靜摩擦力。因?yàn)榱Φ淖饔檬窍嗷サ?，B也受到A施加的水平向左的靜摩擦力，根據(jù)題設(shè)條件，水平地面光滑，B物體沒有受到地面施加的摩擦力。（具體受力分析如圖1-2所示）

二、摩擦力一定是阻力嗎

思維定勢(shì)是一種按常規(guī)處理問題的思維方式。思維定勢(shì)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的思維傾向，進(jìn)而對(duì)物理學(xué)習(xí)產(chǎn)生障礙。例如，對(duì)摩擦力到底是阻力還是動(dòng)力問題，同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)了“摩擦力概念”后，以概念中的“阻礙物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)”為證據(jù)，并結(jié)合已有的生活經(jīng)驗(yàn)，在頭腦中牢固地形成了摩擦力是阻力的錯(cuò)誤認(rèn)知。筆者適時(shí)的配合習(xí)題訓(xùn)練及時(shí)更正學(xué)生正在產(chǎn)生或已經(jīng)產(chǎn)生的負(fù)面思維定勢(shì)，而用積極的思維定勢(shì)取而代之。如，下面的小猴子爬樹，筆者引導(dǎo)學(xué)生分析其受力情況：小猴子豎直方向受到重力和摩擦力。摩擦力方向——豎直向上，和小猴子的向上運(yùn)動(dòng)方向一致，在這里摩擦力是一種推動(dòng)物體前進(jìn)的動(dòng)力。又如，例1中，A物體受到的摩擦力方向水平向右，也和物體運(yùn)動(dòng)方向相同，也是動(dòng)力。可見，摩擦力是動(dòng)力還是阻力，要具體問題具體分析。如果“囫圇吞棗”，只看表面而不細(xì)究本質(zhì)，既無(wú)法達(dá)到提高物理學(xué)習(xí)能力的目的，又不能體會(huì)到物理內(nèi)在的美，這是和新課程倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式背道而馳的。

三、運(yùn)動(dòng)的物體一定受到摩擦力，而靜止的物體一定沒有受到嗎

思維定勢(shì)對(duì)問題解決既有積極的一面，也有消極的一面。當(dāng)新舊問題“形似質(zhì)異”時(shí)，思維的定勢(shì)往往會(huì)使人步入誤區(qū)，難以涌出新思維，作出新決策，造成知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的負(fù)遷移。在學(xué)生的潛意識(shí)中認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)的物體受到摩擦力，靜止的物體不受摩擦力。為克服這種思維定勢(shì)的負(fù)面影響，筆者在教學(xué)中特別注重摩擦力概念的建立環(huán)節(jié)。在概念形成時(shí)，筆者通過(guò)大量實(shí)例和演示實(shí)驗(yàn)將摩擦現(xiàn)象展示在學(xué)生面前，啟迪學(xué)生挖掘其本質(zhì)特征，剔除次要因素，抽象出摩擦力概念——“相互接觸的兩個(gè)物體，當(dāng)它們做相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在接觸面上會(huì)產(chǎn)生一種阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力，這種力叫摩擦力。”在概念呈現(xiàn)后，筆者又啟發(fā)學(xué)生辨析概念，認(rèn)清概念的內(nèi)涵和外延，并特意暴露了概念中的諸多干擾因素。例如，我出示了圖3的四種運(yùn)動(dòng)狀況，請(qǐng)同學(xué)們以小組討論的形式議一議物體是否受到摩擦力的作用。

教師和學(xué)生在排除干擾因素的過(guò)程中，總結(jié)出了摩擦力產(chǎn)生的三個(gè)必要條件：（1）兩物體相互接觸并擠壓；（2）接觸面粗糙；（3）有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。這樣學(xué)生對(duì)摩擦力概念有了較清晰的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也明確了：運(yùn)動(dòng)的物體不一定受到摩擦力，而靜止的物體也可能受到摩擦力。在概念的深化階段，教師還要注意揭示相近知識(shí)間的共性和個(gè)性，有意設(shè)置“誤區(qū)”，讓學(xué)生“上當(dāng)”。筆者精心選擇了例2，所選題目的答案既非唾手可得，又非可望而不可及，而是跳一跳才能得到。

例2：（2011杭州中考）將一袋大米放在勻速向右運(yùn)動(dòng)的輸送帶上，開始米袋與輸送帶間有一段距離的相對(duì)滑動(dòng)，然后米袋隨輸送帶一起勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)輸送帶突然制動(dòng)時(shí)，米袋會(huì)繼續(xù)向前滑動(dòng)一段距離后停下。（請(qǐng)選填合適的字母標(biāo)號(hào)）

A. 受到方向向右的摩擦力。

B. 受到方向向左的摩擦力。

C. 不受力。

（1）米袋剛放上輸送帶的瞬間，米袋在水平方向上受力情況為________。

（2）當(dāng)米袋隨輸送帶一起勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，米袋在水平方向上受力情況為________。

（3）當(dāng)將輸送帶突然制動(dòng)時(shí)，米袋在水平方向上受力情況為________。

分析：（1）米袋是我們的研究對(duì)象。輸送帶是保持勻速向右運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)米袋剛放上時(shí)，其速度明顯比輸送帶慢，即米袋相對(duì)于輸送帶是向左運(yùn)動(dòng)的，所以米袋受到水平向右的摩擦力。（2）物體勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)受到平衡力。米袋水平方向上如果受摩擦力，一定有另一個(gè)力與它平衡，因?yàn)闆]有其他力，所以摩擦力也就不存在。（3）輸送帶制動(dòng)時(shí)，米袋由于慣性，還要繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)受到水平向左的摩擦力。

四、滑動(dòng)摩擦力大小，一定等于物體受到的拉力嗎

辯證法觀點(diǎn)認(rèn)為，不同事物間既有相似性，又有差異性。思維定勢(shì)所強(qiáng)調(diào)的是事物間的相似性和不變性。在問題解決中，它是一種“以不變應(yīng)萬(wàn)變”的思維策略。而具體的物理問題形式復(fù)雜多變，當(dāng)提問角度稍有變化時(shí)，受思維定勢(shì)的影響，許多學(xué)生不能適應(yīng)和理解這種變化，造成思路不暢，缺乏思維的靈活性。由于初一學(xué)生認(rèn)知水平的局限，教材對(duì)摩擦力的大小沒有具體的計(jì)算要求，只是對(duì)滑動(dòng)摩擦力大小做了定性的研究。教材設(shè)計(jì)了“探究摩擦力的相關(guān)因素”實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。

運(yùn)用控制變量法，得出結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小跟壓力大小和接觸面的粗糙程度有關(guān)。筆者在實(shí)驗(yàn)中就強(qiáng)調(diào)：此實(shí)驗(yàn)的原理是二力平衡，只有物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力大小才等于拉力大小。當(dāng)碰到具體題目時(shí)，不管物體是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)，部分學(xué)生均以摩擦力大小等于拉力大小作答。學(xué)生的思維上有一個(gè)“死扣”，阻止了學(xué)習(xí)的進(jìn)一步前進(jìn)。教學(xué)中教師可設(shè)計(jì)一定的梯度，給學(xué)生思維提升的平臺(tái)。例如，在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)木塊放在水平桌面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧秤的讀數(shù)為3N時(shí)，說(shuō)明木塊受到的摩擦力也是3N；那么，當(dāng)老師把拉力提高到5N時(shí)，你認(rèn)為木塊受到的摩擦力是多少呢？使學(xué)生明確：當(dāng)拉力變大時(shí)，由于地面受到的壓力大小不變，接觸面的粗糙程度也不變，故木塊受到的摩擦力大小也不變。同時(shí)提醒學(xué)生“此時(shí)的木塊仍做勻速直線運(yùn)動(dòng)嗎？”經(jīng)過(guò)觀察，學(xué)生發(fā)現(xiàn)木塊在做加速運(yùn)動(dòng)，不屬于平衡狀態(tài)，也就不滿足二力平衡的條件。在學(xué)生對(duì)摩擦力知識(shí)有較全面的理解時(shí)，筆者用例3（圖6）作為學(xué)生對(duì)摩擦力知識(shí)運(yùn)用的綜合檢驗(yàn)題。

例3：如圖甲所示，放在水平地面上的物體，受到方向不變的水平推力F的作用，F(xiàn)的大小與時(shí)間t的關(guān)系和物體運(yùn)動(dòng)速度v與時(shí)間t的關(guān)系如圖乙所示。由圖象可知，當(dāng)t=1s時(shí)，物體處于________狀態(tài)，物體受到的摩擦力為_______N；當(dāng)t=5s時(shí)，物體受到的摩擦力為____ N；t=3s時(shí)，物體受到的摩擦力為_____N。

分析：由圖可知，當(dāng)t=1s時(shí)，物體速度為0，有向右運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，受到靜摩擦力為1 N；t=5s時(shí)，物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)摩擦力大小等于推力大小，為2N；當(dāng)t=3s時(shí)，由于物體作加速運(yùn)動(dòng)，和第5秒鐘時(shí)相比，壓力大小和接觸面的粗糙程度都不變，所以摩擦力仍為2N。

總之，在科學(xué)教學(xué)過(guò)程中，教師既要專研教材，也要注重剖析學(xué)生學(xué)習(xí)物理的思維規(guī)律特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生多角度、多途徑思考問題，盡可能地降低思維定勢(shì)的消極作用，逐步構(gòu)建學(xué)生學(xué)習(xí)物理的良好思維習(xí)慣。