學科核心素養(yǎng)導向的“滑動摩擦力規(guī)律”教材處理

孫立婷 姜靜

摘?要：探究滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的過程對培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)具有重要價值，設計了探究此規(guī)律的實驗方案和教學思路，證明了動摩擦因數與接觸面的粗糙程度以及材料都有關系.

關鍵詞：滑動摩擦力;動摩擦因數;教材處理;物理學科核心素養(yǎng)

文章編號：1008-4134（2020）01-0047?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：孫立婷（1996-），女，山東青島人，碩士研究生，研究方向：物理學科教學;

姜靜（1963-），女，山東濟南人，本科，副教授，研究方向：物理教育、大學物理.

2019年秋季學期，與《普通高中物理課程標準（2017版）》（以下簡稱新課標）配套的“人教版普通高中物理教科書（2019版）”（以下簡稱新教材）正式啟用了，在使用新教材進行教學設計的過程中，我們發(fā)現滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的得出需要進行教材處理，遂對此問題進行了探索，提出了處理的方案.

1?滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的教材分析

1.1?探究滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的過程對發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)的作用

從發(fā)展學生物理觀念的角度來看，摩擦力是“運動與相互作用”觀念中的重要概念，滑動摩擦力的規(guī)律又是摩擦力中的重要知識，也是后續(xù)學習中經常會用到的，因此應該將其作為本節(jié)教學的重點之一.根據物理教學論關于物理規(guī)律教學的一般過程和要求，滑動摩擦力的公式Ff=μFN是個物理規(guī)律，而物理規(guī)律是觀察與實驗、思維與想象相結合的產物，學生經歷探究過程，有利于他們正確、深入地理解這一規(guī)律.根據學生認知規(guī)律，高一學生抽象思維能力還不完善，學習物理規(guī)律還需要一定的感性材料支撐，而實驗探究可以為學生提供豐富而詳實的感性材料.根據教學實踐經驗，滑動摩擦力的方向是教學的難點，通過實驗探究，有助于學生突破這一難點.從發(fā)展學生科學思維的角度看，在探究滑動摩擦力規(guī)律的過程中，猜想與假設、設計實驗方案、實驗數據的處理、分析與論證等探究要素中蘊含著多種科學思維方法，有利于發(fā)展學生的科學思維能力.從科學探究的角度來看，滑動摩擦力規(guī)律的實驗探究過程，能夠培養(yǎng)學生科學探究的能力.從科學態(tài)度與責任的角度來看，滑動摩擦力規(guī)律的實驗探究過程，能夠培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度，并有利于激發(fā)他們的學習興趣.綜上，滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的探究過程對發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)具有重要作用.

1.2?課程標準對“滑動摩擦力”的要求

對比分析高中物理新課標以及《義務教育物理課程標準（2011版）》對“摩擦力”的相關要求可知，“能用動摩擦因數計算滑動摩擦力的大小”[1]應該是高中物理 “摩擦力”一節(jié)的重點之一.通過探究過程發(fā)現滑動摩擦力的規(guī)律Ff=μFN有利于突出這一重點.研究滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的實驗雖然不是新課標要求的學生必作實驗，但新課標在學生必做實驗的開篇也指出：“學校應充分利用已有的實驗器材，努力開發(fā)適合本校情況的實驗課程資源，盡可能讓學生自己動手多做實驗，提升學生的物理學科核心素養(yǎng)”[1].

1.3?新教材中滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的得出需要進行教材處理

新教材簡略給出了一個證明滑動摩擦力與壓力成正比的實驗示意圖（如圖1所示），木塊放在相對地面靜止的木板上，勻速拉動木塊勾連的彈簧測力計，觀察彈簧測力計的示數.這種實驗方案存在困難：很難做到勻速拉動;難以精確讀取運動著的彈簧測力計的示數.而關于動摩擦因數與接觸面粗糙程度及材料的關系，新教材則沒有給出證明的方法.

綜上所述，我們認為在教學設計中，應根據新課標的要求以及發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)的要求，對滑動摩擦力規(guī)律Ff=μFN的得出進行教材處理.

2?培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的“滑動摩擦力規(guī)律”教材處理

為了更好地利用教材，發(fā)展學生的物理觀念，培養(yǎng)學生科學思維和科學探究能力，促進學生養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度，突出重點和突破難點，結合新課標的要求，筆者設計了如下滑動摩擦力規(guī)律的探究方案.

2.1?提出問題

引導學生提出問題：在初中的學習中，我們已經知道，滑動摩擦力與壓力有關，壓力越大，滑動摩擦力越大.那么，滑動摩擦力與壓力有什么定量關系？

2.2?猜想與假設

引導學生根據已有知識（壓力越大，滑動摩擦力越大）作出猜想.如猜想：滑動摩擦力與壓力成正比;與壓力平方成正比;與壓力三次方成正比……

2.3?設計實驗

教學中先引導學生分析圖1所示實驗方案的困難：很難做到勻速拉動、難以精確讀取運動著的彈簧測力計的示數，進而引導學生思考如何加以改進.

引導學生運用等效法設計出圖2所示的優(yōu)化實驗裝置.將彈簧測力計和滑輪固定在豎直放置的木板上.用一低速同步電機（型號為49TYJ，轉速為5轉/分）帶動主動輪和從動輪轉動，從而使?jié)L軸帶動傳送帶（橡膠材質）相對于地面運動， 標記物a固定在傳送帶的支架上，用來顯示物塊和地面保持相對靜止.把質量為50g的物塊（木塊或鐵塊）放在橡膠帶上，橡膠帶與物塊之間可以墊上不同材料、不同粗糙度的薄板以改變接觸面的材料和粗糙度，標記物b固定在傳送帶上，用來顯示傳送帶與物塊的相對運動，物塊的一端通過細繩和定滑輪與彈簧測力計相連.

帶領學生明確實驗原理：首先明確運動方向，傳送帶相對于地面向左運動，物塊相對地面靜止.其次，分析受力如圖3所示，明確物塊受到向左的滑動摩擦力Ff，物塊靜止所以物塊所受滑動摩擦力Ff和繩子給物塊的拉力F1二力平衡，即Ff=F1.由于繩的張力處處相等，F1與繩子給定滑輪的力F2相等，即F1=F2.定滑輪只改變力的方向不改變力的大小，F2與改變方向后的力F3相等，即F2=F3.彈簧測力計靜止，因此繩子對彈簧測力計的拉力F4和彈簧測力計的彈力F彈二力平衡，即F4=F彈.由Ff=F1=F2=F3=F4=F彈，最終得出Ff=F彈，即彈簧測力計的示數就是滑動摩擦力的大小.

帶領學生確定實驗方法：為了使所得結論具有普遍適用性，改變兩個物體之間接觸面的材料和粗糙程度，多做幾組實驗.將同學們分為四個小組，四個組的實驗中產生滑動摩擦力的兩個物體分別是：接觸面較為光滑的木塊與橡膠傳送帶;接觸面較為粗糙的木塊與橡膠傳送帶;接觸面較為光滑的鐵塊與橡膠傳送帶;接觸面較為粗糙的鐵塊與橡膠傳送帶.

帶領學生確定實驗步驟：將木塊或者鐵塊放在傳送帶上，等物塊相對地面靜止時，讀出彈簧測力計示數.然后通過在物塊上不斷增加質量為50g的砝碼的個數，從而不斷改變壓力大小，待物塊與地面保持相對靜止時讀取數據.實驗五次，記錄滑動摩擦力的大小.

帶領學生根據猜想設計記錄數據的表格：以Ff表示滑動摩擦力、FN表示壓力，設計記錄數據的表格見表1.

帶領學生設計處理數據的方法：（1）解析法（用公式處理數據），即計算Ff/FN，如果Ff/FN的比值為定值，則證明成正比的猜想成立，否則再計算Ff/FN2;（2）圖像法：以FN為橫坐標、Ff為縱坐標畫圖像，如果是直線，則證明成正比的猜想正確，否則以FN2為橫坐標、Ff為縱坐標畫圖像;（3）比較法：將圖像畫在透明膠片上，并將膠片的坐標原點、橫縱坐標重合，比較各組的圖像.

2.4?進行實驗、收集數據

為了充分發(fā)揮本實驗探究的多方面作用，最好是準備多組實驗器材，安排學生課內或課外分組實驗，至少也應該課堂上讓學生配合教師做演示實驗.進行實驗的過程中記錄數據，表2、3、4、5列出了四個組所做實驗的數據.

2.5?分析與論證

首先，帶領學生運用解析法得到表2、3、4、5中的第四行數據，再利用圖象法在透明膠片上做出Ff～FN圖像，如圖4、5、6、7所示.進而總結出無論何種材料及何種接觸面粗糙程度，滑動摩擦力Ff與壓力FN都成正比，于是引入動摩擦因數的概念，并將其記為μ;其次，引導學生比較各組得到的μ.將材料相同粗糙程度不同的兩個組所得實驗圖像膠片疊合起來，使橫、縱坐標軸及原點重合，可直觀地通過斜率比較兩組實驗所得μ，發(fā)現μ和粗糙程度有關，粗糙程度越大，μ越大;比較接觸面較為光滑而材料不同的兩組實驗所得μ，發(fā)現并不相同;比較接觸面較為粗糙而材料不同的兩組實驗所得μ，發(fā)現也并不相同.于是引導學生猜想μ除了與接觸面的粗糙程度有關之外，可能還和接觸面的材料有關.

接著進一步帶領學生設計實驗.運用控制變量法，保持接觸面粗糙程度不變，改變接觸面的材料，每種材料的情況下改變壓力大小重復試驗五次，記錄滑動摩擦力與壓力的大小，計算比例系數μ.具體材料和接觸表面的搭配是：木塊與玻璃板（玻璃板墊在木塊與傳送帶之間并與傳送帶保持靜止）;木塊與塑料板（塑料板墊在木塊與傳送帶之間并與傳送帶保持靜止）;控制木塊完全相同，并控制玻璃板和塑料板表面的粗糙程度相同（在顯微鏡下觀察玻璃板和塑料板表面，若觀察到的表面情況幾乎無差別即可近似認為粗糙程度相同），也可以使用手機貼膜的兩個表面：塑料薄膜面和鋼化膜面（在顯微鏡下觀察兩個表面，觀察到的表面情況幾乎無差別）代替玻璃板和塑料板.接下來讓學生分組進行實驗.表6、7是我們用手機貼膜的兩個表面所做實驗的數據.實驗結束后引導學生再用上文所述解析法和圖像法（如圖8、9所示）處理數據，發(fā)現接觸面粗糙程度相同、材料不同時，比例系數μ不同.

最后歸納得出結論：滑動摩擦力大小與壓力大小成正比，即Ff=μFN，比例系數即動摩擦因數μ與兩個物體接觸面的材料和粗糙程度都有關系，接觸面材料相同時，粗糙程度越大，μ越大.

3?反思與啟示

如上所述的教材處理方法，凸顯了對學生科學探究能力的培養(yǎng).在探究滑動摩擦力與壓力的定量關系中學生發(fā)現了新的問題（滑動摩擦因數是否與材料的種類有關？），進而展開進一步的再探究，使學生體驗了真實探究過程的曲折與艱辛;用手機貼膜的正反兩個表面保證粗糙程度基本一致，培養(yǎng)了學生的科學態(tài)度;探究中的猜想與假設、設計實驗、分析與論證諸環(huán)節(jié)中用到了多種心理學層面的科學思維方法和物理學科層面的科學方法，經歷了多種科學思維過程，培養(yǎng)了學生的科學思維能力，也使學生學習了物理科學方法;在改進實驗裝置的過程中使學生真切體會不迷信書本的創(chuàng)新精神;學生通過探究促進了自身對滑動摩擦力規(guī)律的建構，有利于物理觀念的形成;最終結論的得出證實了課本上的結論，使學生體驗到了獲得成功的喜悅.

如何在新課標的指導下利用新教材，促進學生物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，是高中物理教學中亟待解決的新問題.要在教學中促進學生物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，首先要對教材進行分析，分析的主要依據是：新課標提出的物理學科核心素養(yǎng)的四個方面、新課標的課程內容部分對具體教學內容的要求、物理學科的知識體系、學生的認識規(guī)律.其次要不拘泥于教材，要充分挖掘章節(jié)具體教材所隱含的發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)的作用，創(chuàng)造性地對教材內容進行重組、改進和補充，設計有助于全面達成新課標核心素養(yǎng)教學目標的教學過程，將發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)落實到課堂教學中.

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]王麗娟.以核心素養(yǎng)為導向的實驗教學策略初探.[J].中學物理，2019（01）：08-10.

[3]于凡，任新成.顯化科學方法之科學探究法[J].中學物理，2019（01）：40-43.

（收稿日期：2019-10-31）