摩擦力教學中通過實驗提高學生模型構建能力的探究

孟祥青

【摘要】 傳統(tǒng)的物理教學多注重物理模型的介紹和應用，試圖讓學生在訓練中掌握物理模型并能運用其解決物理問題。缺失了對模型構建過程的教學，無法做到知識的遷移和應用。靜摩擦力的教學是很抽象的，本文通過靜摩擦力大小的模型構建教學和“相對運動趨勢”的方向的模型構建教學，以及對人走路中靜摩擦力大小和方向變化的模型構建教學，提高學生模型構建能力，把教學中的兩個大難點充分化解了。

【關鍵詞】 模型構建探究 靜摩擦力 相時運動趨勢

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2014）09-027-02

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所謂的物理模型就是根據(jù)所研究對象的形狀、大小、運動過程、狀態(tài)、結構等特征，抓住主要因素，忽略次要因素而建立起來的一種高度抽象的，理想化的實體、概念和過程。這個實體、概念和過程來源于實際，但又有別于實際，它主要展示了實際問題中實體、過程、狀態(tài)、現(xiàn)象的主要特征，以便于人們學習和研究。

在物理教學中為什么要構建物理模型。研究任何物理現(xiàn)象，都應分清主要因素和次要因素，想要了解物理現(xiàn)象的本質，掌握事物發(fā)展的基本規(guī)律，就要抓住問題的主要因素，適當?shù)暮雎源我蛩貙ξ锢憩F(xiàn)象的影響，從而得到物理問題的最本質、最一般的規(guī)律，而這樣一個過程就是構建物理模型的過程。北大教授趙凱華先生在《我國赴美物理研究生考試歷屆試題集解》的序言中指出，物理教學可以有兩種方式進行，一種是教師直接將原始的物理問題提交給學生，讓學生自己思考問題，剖析問題，自己抽象出解決問題的模型，進而解決問題。另一種是把物理問題經(jīng)過總結思考后形成物理的或者數(shù)學模型再轉達給學生，讓學生刻板地記憶物理問題或者物理模型。趙凱華教授直言不諱地說，后一種教學方式所教出學生在遇到實際的物理問題時，很難把第一手的物理資料整理成物理或者數(shù)學模型進而加以分析，從而造成了物理問題解決的極大的鴻溝，無法逾越。這充分體現(xiàn)了物理模型的構建在趙教授心中的地位。

我國傳統(tǒng)物理教學十分注重系統(tǒng)知識的傳授，教師多采用“填鴨式”教學，將知識系統(tǒng)地講授給學生，學生與豐富的物理現(xiàn)象和事實相互接觸的機會很少，更不會從物理現(xiàn)象和事實中概括、抽象出物理模型，這就難于透徹地認識物理現(xiàn)象的本質和規(guī)律，學生則是被動的聽眾，成為知識的接收器，并沒有主動地參與教學中建立物理模型和應用物理模型活動過程。

靜摩擦力的教學，就是對教了數(shù)十年的老教師來說，總覺得還是很難達到令自己滿意的教學效果，筆者對這一教學內容不斷地嘗試和改進，特別是新課標的實施，使自己充分體會到了與時俱進的重要性。教學理念的更新，現(xiàn)代教學儀器的應用，多媒體的正確合理使用，以及充分發(fā)揮集體智慧的作用，都將使自己的教學探索永無止境。筆者通過課題研究，對靜摩擦力的教學進行了充分的探索，現(xiàn)把對這一內容的教學探究所得總結如下：

一、對靜摩擦力大小的模型構建探究

先讓學生體驗實驗：用細線水平拉滑塊，在水平細線拉力作用下有向右滑動的趨勢，但沒有滑動。然后逐漸增大水平拉力，直到滑塊滑動。

設問1：靜摩擦力如何變化？

設問2：靜摩擦力能不能無限制地增大呢？

對于這一問題，學生不難得出結論，但是這一限度即最大靜摩擦力是多少，有什么規(guī)律，由于無法定格觀察，學生對這一教學內容的理解有一定的難度。

雖然可用彈簧秤來研究，即在彈簧秤上放一紅色紙條以顯示最大靜摩擦力的大小在彈簧秤上的讀數(shù)位置，但這也無法記錄靜摩擦力大小變化的整個過程。因此，如果這里用力傳感器來研究，就可形象直觀地顯示出來，其裝置原理如圖1所示。

慢慢地施加力，直到抽動木塊下面的木板，這一過程通過Dislab由計算機處理后可得到如圖2所示的Ff-t圖象。

圖1 圖2

思考與討論：從圖象你能獲取哪些物理信息？

引導學生由圖2得到如下信息：滑動前，靜摩擦力隨外力的增大而增大，但有一個限度，即最大靜摩擦力的存在；拉動以后，摩擦力變小了，即變成了滑動摩擦力；由圖2還可知道，最大靜摩擦力略比滑動摩擦力大。

顯然，這比傳統(tǒng)教學相比有很大的優(yōu)點，因為這一過程形象直觀地全部展現(xiàn)在了學生面前。

二、對“相對運動趨勢”的方向的模型構建探究

相對運動趨勢的教學可謂是非常的抽象，學生初學覺得難度很大，以前，大多數(shù)老師都是通過演示一般的實驗并輔以講授來讓學生理解，但學生還是理解起來有一定困難。

這里，設計了如下問題與實驗來讓學生體驗與理解。

設問：怎樣叫“有相對運動趨勢”？怎樣判斷“相對運動趨勢的方向”？

首先讓學生通過拉桌面上的木塊以體驗相對運動趨勢，隨后讓學生回答：相對運動趨勢的方向如何？你觀察到了相對運動趨勢嗎？學生往往較難回答后一個問題。

此時老師可以這樣引導學生：當我們需要判斷某一接觸面是否具有相對運動趨勢時，在保持所有條件都不變的情況下，假設這個接觸面變?yōu)楣饣?，如果仍然能保持接觸面的相對靜止，則原來靜止時就沒有相對運動趨勢；如果變?yōu)楣饣?，兩接觸面相對滑動起來，說明原來靜止時具有相對運動的趨勢，之所以沒有相對運動，就是因為被靜摩擦力給“卡”住了，也就是說，原來存在著靜摩擦力。

假設接觸面變?yōu)楣饣蠼佑|面的運動方向，就是原來靜止時的運動趨勢方向，靜摩擦力的方向跟這個方向相反。

接下來設計了如下問題和實驗來體驗和觀察相對運動趨勢。

思考與討論：如圖3所示，A、B疊在一起放在水平桌面上，現(xiàn)對B施加一水平拉力F，此時A、B都處于靜止狀態(tài)，請判斷A、B之間，B與桌面之間有無靜摩擦力的作用？如果有，方向如何？

學生對這個問題雖然有所悟，但無法直觀表現(xiàn)出來，那么如何直觀呈現(xiàn)出A與B間，B與桌面間是否有相對運動趨勢？

對這一問題，讓學生用實驗來探究這個問題：

器材：兩本書和兩支鉛筆。

把兩本書疊在一起，放在水平桌面上，紙帶夾在下面這本書中，先把兩支鉛筆放在A、B之間以減小摩擦，輕輕拉B，看A是否會滑動（如圖4）；然后把兩支鉛筆放在B與桌面之間，同樣輕輕拉B（如圖5），看B是否滑動，滑動方向如何？

圖4 圖5

此時學生會發(fā)現(xiàn)，如圖4輕輕拉書B，上面的A是不會滑動的，說明A相對B沒有相對運動趨勢；而如圖5拉B，B會相對桌面滑動起來，說明圖3中用力F拉B，B有相對桌面向右運動的趨勢。

通過這一體驗實驗，學生徹底明白了什么是相對運動趨勢，并且知道如何去判斷相對運動趨勢的方向。

三、對人走路中靜靡擦力大小和方向變化的模型構建探究

人走路是天天必做的事情，也是學完靜摩擦力教師必講的問題，但很少有人去思考走路中靜摩擦力大小和方向變化的規(guī)律，特別是學生剛學完靜摩擦力，對這一問題更是非常感興趣，但又不知如何研究這一問題。

筆者設計了如圖6所示的裝置，傳感器的一端固定在上面木板上，另一端固定在下面這塊木板上，讓一個學生輕輕走上木板并離開木板時，傳感器通過計算機處理后顯示的Ff-t圖象即可反映地面對人的靜摩擦力這一過程的變化情況，如圖7所示。

思考與討論：從圖象中你有哪些發(fā)現(xiàn)？

學生活動：思考圖象反映的物理信息。

結論：可反映靜摩擦力的方向不同以及大小變化情況。

程度較好的學生還可繼續(xù)設問：圖象所圍的面積表示什么物理量？當然這一問題學生暫時回答不了，因為所圍的面積是表示摩擦力的沖量，但這為后面學習沖量埋下了伏筆，也為學生以后用圖象理解沖量提供了事實依據(jù)。

通過傳感器和計算機的處理，圖象形象直觀地把人走路這一過程中摩擦力大小和方向變化的規(guī)律一覽無余地展現(xiàn)出來了。

通過對上面兩個問題的探究，及對人走路中靜摩擦力大小和方向變化應用的探究，學生對靜摩擦力的理解可以說比較充分了，把教學中的兩個大難點充分化解了。

通過演示實驗，為學生學習靜摩擦力提高了感性材料，學生通過觀察、思考、抽象、概括等思維過程構建了靜摩擦力、相對運動趨勢、人走路時靜摩擦力大小和方向變化的物理模型，為今后運用該模型解決實際物理問題提供了知識基礎。